基本信息
- 项目名称：
- 两轮共轴自平衡机器人
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 两轮共轴自平衡机器人是一种倒立摆闭环控制系统。根据两轮机器人车体的倾斜角度驱动两个共轴轮让机器人始终保持直立状态。在这个系统中机器人的重心远高于共轴轮子的轴心。机器人的倾斜角度由三轴加速度传感器与单轴角速度传感器测量，AVR单片机根据机器人的倾斜角度计算出合适的驱动力，再由编码减速电机驱动轮子让共轴双轮高重心机器人始终保持平衡状态。
- 详细介绍：
- 本系统由主控制器模块、传感器模块、通讯模块、运动控制器模块、伺服电机与轮子等模块组成。其中主控制器采用AVR单片机，iMEMS加速度传感器与角速度传感器组成的传感器模块测量机器人静态或动态时的倾角，主控制器根据传感器测量的倾角参数计算出合适的驱动力，在利用伺服电机的精确驱动共轴轮，让机器人停止或行走时始终保持直立平衡状态。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 两轮共轴自平衡机器人可以很好地解决高重心机器人运动中的平衡稳定性问题。比如一般的的机器人小车上安装摄像头时车体的重心必须足够低，否则小车运动时很容易翻倒。这种小车为了保持重心足够低，就必须把摄像头安装到较低的位置，这样摄像头就无法看到高台面上物体。如果将摄像头安装到较高的位置，一般采用较大或较重的车体基座用以保证车体运动时不翻倒。如果使用我们制作的两轮共轴自平衡机器人就可以很好地解决上述一般视频监控小车高重心容易翻倒的问题，可以实现车体重心足够高（摄像头可以安装到足够高的位置）而车体体积重量又足够低。 本系统的技术关键是如何测量运动中的车体倾角及根据车体倾角选择合适的控制力度使车体保持直立平衡。车体运动时由于车体惯性与振动会严重干扰传感器的测量值，所以我们使用kalman滤波技术，对加速度传感器与角速度传感器的读数进行滤波与融合，得到精准的读数，再利用PID算法计算得到合适的控制力度使车体保持直立平衡。
科学性、先进性
- 利用两轮共轴自平衡机器人作为视频监控小车时，由于两轮共轴自平衡机器人可以自动保持直立平衡，可以将安装在两轮共轴自平衡机器人上的摄像头，根据使用环境场合安装到很高的位置。无论摄像头安装位置有多高，小车的体积重量保持不变且足够小。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 已制作完成两轮共轴自平衡机器人。两轮共轴自平衡机器人车体可以自动保持直立平衡状态。
技术转让方式
作品可展示的形式
- 两轮共轴自平衡机器人静态或动态实物展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
同类课题研究水平概述
- 目前国外同类作品的技术水平较高，美国Southern Methodist University 的 Department of Geological Sciences 的 DAVID P.ANDERSON 教授所发明的两轮自动平衡机器人是目前世界上技术含量最高的一种机器人。他采用了ADXL202加速度传感器和Pittman GM8712 马达作为驱动，实现了较高的自平衡稳定性。 在国内台湾省学生做的该方案是采用增强型51芯片C8051F005 做主控制芯片，采用加速度传感器和陀螺仪（角度传感器）实现了自平衡。内地爱好者采用的平衡方案是水银开关。由于只用了水银开关，没有使用陀螺仪，所以导致小车摆动厉害，平衡效果很差。还有一些爱好者利用基于DSP数字电路的驱动单元分别精确控制左右轮电机，并利用上位机实时控制机器人的运动状态，提高了控制精度、可靠度以及集成度，最终得到了很好的控制效果。
