[實用新型]一種基于紅外傳感器姿態檢測的兩輪直立式自平衡機器人

無效

• 申請號: 200920107718.5
• 申請日: 2009-04-24
• 公開（公告）號: CN201399786Y
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;劉航;武衛霞;胡靜敏
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J13/00;B25J9/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張 慧

技術領域

本實用新型是一種基于紅外傳感器姿態檢測的兩輪直立式自平衡機器人，屬于機器人控制領域。

背景技術

兩輪自平衡機器人是在伴隨著當今對移動式機器人不斷的深入研究的趨勢下出現的新型機器人，輪式機器人具有成本低、機構和控制算法簡單、能高速穩定的移動、動力利用率高，同時能夠自學習，同過自強化學習來學會之前不能完成的任務。這種機器人最大的特點就是能夠自平衡，擴展了他適應的環境變化的能力，同時，可以進行加速或者是減速以及實現原地回轉和任意半徑轉向，移動軌跡更為靈活易變，大大彌補了傳統三輪或四輪轉向不足的缺點。

目前在美國的商品化兩輪代步機器人Segway以內置的精密固態陀螺儀(Solid-State?Gyroscopes)來判斷車身所處的姿勢狀態，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動馬達來做到平衡的效果。但是這種方法由于采用先進的固態陀螺儀，所以成本比較高，不能得到普及。

傳統的兩輪自平衡機器人的姿態檢測系統多采用傾角儀，加速度計和陀螺儀三者相結合的方式達到測量目的，這種方法成本較高，而且像陀螺儀，傾角儀等器件容易受到溫度的影響，產生零點漂移。

實用新型內容

本實用新型提出了一種基于紅外傳感器作為姿態檢測的兩輪自平衡機器人，此機器人通過紅外傳感器檢測與地面之間的距離來達到姿態檢測的目的，此種方法大大節約了傳感器的成本，同時克服了零點漂移現象，能夠有效準確的對姿態進行檢測。同時體積較小，甚至可以在普通的辦公桌桌面上工作。

本實用新型的主體思路是：當機器人發生傾斜時，紅外傳感器檢測的其與地面的距離將發生變化，紅外傳感器將變化的信號傳給主控制器，在主控制器中，將進行一系列的信號處理，之后，將處理好的信號轉換成驅動電機的PWM波信號，該信號傳送到電機的控制電路板上，從而驅動電機，使電機朝著機器人傾斜方向轉動，從而達到控制機器人自平衡的目的。

本實用新型采取的具體技術方案如下：包括主體支架、固定在主體支架下端的電機支架、固定在電機支架上的兩個電機、連接在兩個電機上的輪子、主控制電路、固定在主體支架上端的紅外傳感器支架和兩個紅外傳感器。兩個紅外傳感器分別固定在紅外傳感器支架的左右兩端，采集與地面之間的距離，兩個紅外傳感器的輸出端分別與主控制電路的輸入端相連，主控制電路的輸出端與電機相連。

上述機器人的自平衡控制方法包括以下步驟：

1)左右兩個紅外傳感器分別檢測與地面之間的距離，并將該距離以電壓信號的形式傳送給主控制電路；設L1為左側紅外傳感器檢測到的與地面之間的距離，設L2為右側紅外傳感器檢測到的與地面之間的距離，L0為機器人處于平衡位置時紅外傳感器檢測到的與地面之間的距離；

2)主控制電路通過接收到的距離L1、L2判斷機器人的姿態信息，具體為：當L1＞L0且L2＜L0時，判斷機器人為向右發生傾斜；

當L1＜L0且L2＞L0時，判斷機器人為向左發生傾斜；

3)根據步驟2)得到的機器人姿態信息，主控制電路通過增量PID控制算法，得出一組PWM波控制信號來控制電機，驅動電機進行轉動，使機器人重新達到平衡；具體為：

當機器人向右傾斜時，電機向右轉動，通過車輪帶動機器人向右移動，產生一段位移后，使機器人重新達到平衡；

當機器人向左傾斜時，電機向左轉動，通過車輪帶動機器人向左移動，產生一段位移后，使機器人重新達到平衡。

本實用新型采用紅外傳感器作為姿態檢測的信號輸入，此種方法大大節約了傳感器的成本，同時克服了零點漂移現象，能夠有效準確的對姿態進行檢測。

附圖說明

圖1自平衡機器人的機械結構圖

圖2自平衡機器人的電氣結構示意圖

圖3自平衡機器人電氣結構框圖

圖4自平衡機器人動作示意圖

圖5自平衡機器人控制方法示意圖

圖6自平衡機器人控制方法原理圖

圖7整個控制過程的軟件算法流程圖

圖8(a)電機支架結構前視圖

圖8(b)電機支架結構上視圖

圖8(c)電機支架結構右視圖

圖9(a)傳感器支架前視圖

圖9(b)傳感器支架上視圖

圖9(c)傳感器支架右視圖

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明：