吕红涛，王国胜，吕强，刘峰

（装甲兵工程学院 控制工程系，北京 100072）

引 言

两轮自平衡机器人系统是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统，它实际上是一个可以行走的一级倒立摆[1－3]。国内外的一些研究成果见参考文献[4]。

本文设计的自平衡机器人是以TMS320F28069微处理器为主控制器，采用ENC－03R传感器、XBEE无线传模块采集数据，来控制实现机器人的自平衡。

1 自平衡机器人的平衡原理

自平衡机器人的样机如图1所示，为了建立其运动学模型，用Pro／ENGINEER3.0建立三维模型，如图2所示。左右两电机水平放置，车体可以以电机轴线为中心前后运动，通过控制两轮的速度可以实现小车向前、向后、转弯等运动。

自平衡机器人的基本控制思想是：当测量倾斜角度的传感器检测到机器人本体产生倾斜时，控制系统根据测得的倾角产生一个相应的力矩，通过控制电机驱动两个车轮朝机器人要倒下的方向运动，保持机器人自身的动态平衡[5]。当未加控制时，不论车体向前或向后倾斜，左右轮都处于静止状态，车体前后倾斜和车轮转动是相互独立的。当开始控制时，车身在竖直状态下释放，小车有静止、前进、后退3种运动方式，在正确的控制策略下，机器人可以保持自身的平衡。

图1 两轮自平衡机器人样机

图2 两轮自平衡机器人三维模型

2 自平衡机器人控制系统总体设计

自平衡机器人的控制系统总体设计如图3所示。为了使其能够保持平衡，并且完成前进、后退和转弯等动作，机器人的硬件结构包括以下各功能模块：主控制器TMS320F28069控制整个系统的运行；……