[发明专利]基于红外姿态检测的两轮直立式自平衡机器人及控制方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于红外传感器姿态检测的两轮直立式自平衡机器人及控制方法，属于机器人控制领域。

背景技术

两轮自平衡机器人是在伴随着当今对移动式机器人不断的深入研究的趋势下出现的新型机器人，轮式机器人具有成本低、机构和控制算法简单、能高速稳定的移动、动力利用率高，同时能够自学习，同过自强化学习来学会之前不能完成的任务。这种机器人最大的特点就是能够自平衡，扩展了他适应的环境变化的能力，同时，可以进行加速或者是减速以及实现原地回转和任意半径转向，移动轨迹更为灵活易变，大大弥补了传统三轮或四轮转向不足的缺点。

目前在美国的商品化两轮代步机器人Segway以内置的精密固态陀螺仪(Solid-State Gyroscopes)来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。但是这种方法由于采用先进的固态陀螺仪，所以成本比较高，不能得到普及。

传统的两轮自平衡机器人的姿态检测系统多采用倾角仪，加速度计和陀螺仪三者相结合的方式达到测量目的，这种方法成本较高，而且像陀螺仪，倾角仪等器件容易受到温度的影响，产生零点漂移。

发明内容

本发明提出了一种基于红外传感器作为姿态检测的两轮自平衡机器人及其控制方法，此机器人通过红外传感器检测与地面之间的距离来达到姿态检测的目的，此种方法大大节约了传感器的成本，同时克服了零点漂移现象，能够有效准确的对姿态进行检测。同时体积较小，甚至可以在普通的办公桌桌面上工作。

本发明的主体思路是：当机器人发生倾斜时，红外传感器检测的其与地面的距离将发生变化，红外传感器将变化的信号传给主控制器，在主控制器中，将进行一系列的信号处理，之后，将处理好的信号转换成驱动电机的PWM波信号，该信号传送到电机的控制电路板上，从而驱动电机，使电机朝着机器人倾斜方向转动，从而达到控制机器人自平衡的目的。

本发明采取的具体技术方案如下：包括主体支架、固定在主体支架下端的电机支架、固定在电机支架上的两个电机、连接在两个电机上的轮子、主控制电路、固定在主体支架上端的红外传感器支架和两个红外传感器。两个红外传感器分别固定在红外传感器支架的左右两端，采集与地面之间的距离，两个红外传感器的输出端分别与主控制电路的输入端相连，主控制电路的输出端与电机相连。

上述机器人的自平衡控制方法包括以下步骤：

1)左右两个红外传感器分别检测与地面之间的距离，并将该距离以电压信号的形式传送给主控制电路；设L1为左侧红外传感器检测到的与地面之间的距离，设L2为右侧红外传感器检测到的与地面之间的距离，L0为机器人处于平衡位置时红外传感器检测到的与地面之间的距离；

2)主控制电路通过接收到的距离L1、L2判断机器人的姿态信息，具体为：当L1＞L0且L2＜L0时，判断机器人为向右发生倾斜；

当L1＜L0且L2＞L0时，判断机器人为向左发生倾斜；

3)根据步骤2)得到的机器人姿态信息，主控制电路通过增量PID控制算法，得出一组PWM波控制信号来控制电机，驱动电机进行转动，使机器人重新达到平衡；具体为：

当机器人向右倾斜时，电机向右转动，通过车轮带动机器人向右移动，产生一段位移后，使机器人重新达到平衡；

当机器人向左倾斜时，电机向左转动，通过车轮带动机器人向左移动，产生一段位移后，使机器人重新达到平衡。

本发明采用红外传感器作为姿态检测的信号输入，此种方法大大节约了传感器的成本，同时克服了零点漂移现象，能够有效准确的对姿态进行检测。

附图说明

图1自平衡机器人的机械结构图

图2自平衡机器人的电气结构示意图

图3自平衡机器人电气结构框图

图4自平衡机器人动作示意图

图5自平衡机器人控制方法示意图

图6自平衡机器人控制方法原理图

图7整个控制过程的软件算法流程图

图8(a)电机支架结构前视图

图8(b)电机支架结构上视图

图8(c)电机支架结构右视图

图9(a)传感器支架前视图

图9(b)传感器支架上视图

图9(c)传感器支架右视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：