学习或综合设计的实验平台。
关键词： 实践教学平台 自平衡小车 微控制器
1.机器人小车的作用
机器人小车作为实践性教学载体，既可以考查学生综合运用各门专业知识的水平，又可以锻炼动手能力、培养创新能力等。机器人小车的设计涉及传感器技术、自动控制理论、电机及电机驱动技术、机械控制、电子技术等多方面知识，可以作为单片机、应用系统设计、控制系统等多门课程的实验平台。实现机器人小车特定功能，需要完成硬件设计、软件编程等一系列实践过程，最后构建出一个控制—反馈—控制的闭环系统。基于机器人小车的应用系统，可以声、光、运动等方式表现控制效果，一方面可以直接激发学生的学习兴趣，营造良好的学习氛围，另一方面可以加强对各种相关理论的理解和认识。
四轮机器人小车静止时自身处于平衡状态，运动容易控制。两轮自平衡小车是近几年出现的一种新型机器人小车，相对于四轮机器人小车，因为其自身不稳定性和控制的非线性，需要更多控制、反馈信息，可以用于验证相关控制理论和控制方法[1]，并可作为综合实验、毕业设计等多门课程知识综合运用的实验平台。两轮自平衡车的主要特点是使用两轮共轴、各自独立驱动的工作方式。车身重心位于车轮轴的正上方，静止时不能保持平衡站立，只有通过两个轮子的前后移动保持车身平衡。加入外部控制后，可以在保持动态平衡的基础上实现移动、转弯、旋转等功能[2][3]。
两轮机器人小车的硬件设计如图1所示，其运动可以通过直流电机或步进电机控制。直流电机的驱动电路通常用H桥电路控制其运动方向，通过脉冲宽度调制控制电机的运动速度。直流电机转动时为连续旋转，所以直流电机控制的小车运动过程平滑。但直流电机的转动距离无法通过驱动电路精确控制，要借助测速模块测量其转动角度，反馈给主控制器计算出小车的运动距离和运动速度。步进电机的驱动相对于直流电机的优点是驱动力矩大，运动距离控制精确。但步进电机通常使用整步或半步方式转动，电机转动不是连续的平滑过程。
两轮小车的平衡控制需要通过传感器测出小车车体的角度和运动加速度，通过控制器的计算，反馈给驱动电机控制小车的运动，实现小车的动态平衡。目前有专用的运动姿态传感器可以实现重力加速度和转动角速度XYZ三轴分解的测量。
小车的控制端与主控制器的无线通讯可以采用红外2.4G无线通讯模块、ZigBee模块、蓝牙模块等。
此外，为实现小车测距、辨别声音、具有机器视觉等功能，还可以加上超声传感器、声音采集传感器、摄像头等。
图1 系统硬件设计框图
两轮小车平衡的原理是一个倒立摆的物理模型。当产生倾斜时，车身与重心不在同一直线上，小车控制器将控制电机转动保持小车动态平衡。而当小车需要前进或者后退时，小车自身的动态平衡将成为其前进或者后退的阻力，此时利用加速度产生的惯性力抵消小车的重力分量，从而使小车前进或者后退。
下面以一款手机蓝牙控制的两轮机器人小车为例，说明两轮机器人基本功能实现方法。
两轮机器人小车用51单片机可以实现简单地控制，但小车的自平衡控制需要大量计算，因而实例中采用STM32为小车主控制器，控制传感器采集两轮小车的角度、运动加速度和速度，控制电机驱动模块实现小车自主平衡站立。
目前智能手机和平板电脑中，蓝牙模块已经成为标准配置，因而实例中使用蓝牙进行无线通讯，无需另外设计专用控制器。主控制器连接的蓝牙模块的主要功能是接收智能手机端发送的运动控制指令，控制自平衡小车在动态平衡基础上移动、转弯等功能。
本例中采用姿态测量传感器模块MPU-6050作为平衡测量模块，主控制器通过I/C通信协议与MPU-6050，即时接收MPU-6050模块测量的陀螺仪、加速度信息，再反馈到运动控制上。
2.系统软件设计
软件流程图如图2所示。程序启动后首先进行系统初始化工作，包括定时器初始化、外部中断初始化、I/O初始化、PWM波初始化、陀螺仪初始化等。
图2 系统总体软件流程图
初始化结束后进入主程序运行。主程序进行蓝牙信号检测，如果没有接收到手机蓝牙发送的指令，则小车保持前一个状态，直到产生定时中断。定时中断中进行陀螺仪、加速度计数据的采样读取，读取值通过软件卡尔曼滤波算法进行滤波后，通过计算得到倾斜角度，并通过计算角度和读取角速度进行PID控制[4]，调整两轮电机驱动电流的PWM值，使小车保持车身平衡。进行多次角度和角速度调整控制后，根据时间段内采集的编码器脉冲数，计算得到车身的速度和位移，进一步进行PID控制驱动电路的PWM值，让小车静止。如果检测到蓝牙运动控制信号，则根据指令进行相应的数据调整，让小车在自平衡状态下实现运动。
3.结语
机器人小车是良好的电子设计教学和实验平台，通过在小车上加入各种传感器，以及声、光效果，可以实现多种功能。两轮自平衡小车的研究主要涉及模拟电子、数字电路、自动控制、无线电通信、数字信号处理、应用系统设计等多方面知识，是多门课程知识的综合应用。作为一个良好的综合实验平台，可以考查学生各门课程的知识掌握情况，锻炼其硬件设计和软件编程能力。通过这一设计，锻炼其自主学习能力。学生可在已实现的功能基础上，加入其他扩展功能，如图像采集、循迹、测距、避障、舵机控制臂等，使两轮小车成为一个多功能实验平台。
参考文献：
[1]袁泽睿.两轮自平衡机器人控制算法的研究[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.06.
[2]贺利乐，郑建校.以机器人教学和实验平台为载体培养大学生实践创新能力[J].装备制造技术，2014（9）.
[3]黄永志，陈卫东.两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现[J].机器人，2004（26）.
[4]孙炳达.自动控制原理（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2011.05.
