自制平衡机器人详细教程

编者注：本项目编译自Makezine，来自3D Robotics设计主管Jason Short。Makezine将本项目的难度定位为：Very Difficult（非常难），够自信你也来挑战一下吧！

想要提高自己的机器人制作水平吗？那你可来对地方了。今天我们的主角ArduRoller就是一台可以自动平衡的倒立摆机器人，此外它还拥有室内外自主导航的能力。这台非传统车辆可以快速自主通过一系列障碍、转角、崎岖路面，水桶和斜坡等对它来说都小菜一碟。此外，它也是我在一年一度的SparkFun无人驾驶车辆竞赛中的参赛作品。

首先，我选择了来自3D Robotics的APM 2.5多模式自动控制系统，因为它集成了几乎所有机器人所需的传感器。此外，它构造简单，开源，而且相关软件免费，ArduPilot系统也较为成熟。对于刚上手智能机器人的人来说，这绝对是个好平台。

这款自动平衡机器人采用惯性测量装置（IMU）作为核心，该装置包括三轴速率陀螺，加速度计和磁力计，共计九个传感器，总采样速率可以达到千次∕秒，此外它还采用了方向余弦矩阵算法（DCM），其搭载的数学滤波器则可更好地利用每个传感器的性能。该机器人还搭载了更高级别的代码，这样就可快速计算出机器人的实时状态（角度和转速等），以更好的保持平衡。

怎样能使机器人保持平衡？

倒立摆平衡机器人的内在特点决定了它其实是不稳定的，不过高重心的优势却给它创造了一个很大的惯性矩，从而放缓了它倾斜的速度。在操作中我们就可以利用这一特性，不断移动轮子来抵消这部分倾斜所产生的力，以保持机器人的平衡。

机器人内置软件中的一个简单的PID回路负责控制它的平衡：

比例项会探测到机器人倾斜的角度误差，随后便会换算出来回传给电机，电机就可以控制轮子来抵消这部分力，从而保持平衡。

积分项和上面的原理类似，不过它搜集的是所有角度误差的总和，从而解决重心问题。

相比前两项，微分项更加关键，少了它我们就无法控制机器人的加减速。

让它动起来

随后，这个简单的机器人就可以开始动起来了。不过平衡没能保持多久，它就因为不断加速而摔倒了。如果在过程中机器人试图调整姿态，那么它就无法继续前行了。

所以我们只好采用垂直滚动的方法来保持前进。首先，要让轮子的旋转保持一个合理的速度，这样才能产生足够抵消机器人倾斜的力。然后，在机器人角度快速变化时再提供一个补偿力，以保持它的稳定。这一算法来自于对人类的观察研究，因为人在受外力推挤时会努力保持平衡。举例来说，足球运动员在碰撞时就会收腿并倾斜身体来保持平衡。

以上两点是机器人平衡算法的关键，只有这样机器人才能走的更顺，走的更远。

自主导航

想要实现自主导航，我们要精确计算出机器人所在方位和其目的地。GPS很有用，但其精度只有几米，而机器人需要的是精确到厘米的定位准确度。

轮式编码器则可将精度提高到毫米级，同时也对GPS起到了很好的辅助。来自Pololu公司的电机则搭载了可选的霍尔效应传感器，让它可以这样工作：小型磁铁旋转着掠过传感器，这样就可以计算出车轮的速度。机器人搭载的Arduino Pro Mini也很强大，它可以读取来自编码器的每秒数千次的脉冲，然后将这些数据通过I2C接口传送给自动驾驶系统。只要知道了轮子的半径，机器人就可计算出行走的速度和里程。此外，机器人知道自己的前进方向，这样它就可以在二维空间里精确的给自己定位。GPS在整个过程中反而扮演了辅助的角色，它只要保证机器人能精确的执行这一系列动作就行。

如果在行驶中被卡住，机器人也能感觉到，它会倒转轮子行驶并稍微右转再次进行尝试。

机器人的其它控制软件，包括路径导航系统，基本都是ArduCopter上的改进版，这样我们就站在了前人的肩膀上，省下了大量的精力和时间。

别墨迹了，快自己装一个吧，3-5个小时就能搞定，总花费大约在400到500美元。下面我会列出详细的装配步骤。

第一步：准备好所有零件

Pololu有刷直流电机已经装上了编码器，此外，一个34:1的齿轮减速装置有助于提高电机的扭矩。

加装了编码器的轮胎可以完美适配4毫米的电机轴，粗犷的轮胎还可以提升机器人的越野能力，并在行进中吸收多余震动。

第二步：用3d打印机制造机身

你可以在这里找到用于3D打印的技术文档，在打印过程中我使用了MakerBot Replicator 2X 3D打印机。

第三步：安装电机

将电机装进刚刚打印出的机身中，虽然它机身挺贴合，但我还是加了点热熔胶。

第四步：连接各电子元器件

将APM控制系统与电机端罩、逻辑电平转换器和Arduino Mini 按电路图（原大图）依次连接起来。

将GPS模块和无线电遥测设备连接起来，以便机器人进行自主操作。

手动操控机器人与你的R/C接收机相连。至于PPM接收机，用APM自带的跳线连接起来就好。

用热熔胶将元器件粘在一块塑料板上，这样更容易塞进机器人。另外，自动控制系统可别装错了方向。

最后，将元器件与电机连起来，并将电路板放进基座中。

第五步：总装

将机身中部装在基座上，然后将机身上部按紧，电池就放在机身上部，然后将电源装在机器人侧面。

给机器人装轮子。

这个玻璃罩其实就是从亚马逊上买的的圣诞树吊饰，各种LED元器件发的光会点亮整个机舱。

最后，给机器人侧面装上无线电遥测设备，通过它你可以给机器人制定任务或直接对其进行操纵。

第六步：给机器人写入程序

下载ArduRoller的源代码，并使用名为ArduPilot-Arduino 的工具将其灌入APM 2.5。

下载轮式编码器的源代码，然后用Arduino IDE将其灌入Pro Mini。

想要让机器人自主执行任务，你需要下载PC版的Mission Planner，或者下载安卓版的DroidPlanner 2。

第七步：大功告成

装好机器人之后就可以尽情玩耍了，你可以用R/C遥控器来操控它，或者直接让它靠GPS自主执行任务。在Mission Planner软件上，你只需几个点击动作就可以使用谷歌地图并追踪机器人的位置、速度和行进方向等，此外你还可以运行自己的Pyrhon脚本，下载并分析任务日志等。

我也用了安卓端的Droid Planner，体验不错！

给机器人装个视频发射器和GoPro，这样你就能看到机器人的第一视角了，挺有趣的。另外，你还可以给它搭载声纳系统，这样它就能成为躲避障碍的行家里手了。