基于单片机Cubli自平衡机器人控制系统设计

胡帅 李艳 刘杰 王龙

摘要：本文对自平衡机器人进行理论分析，根据机器人控制系统的实际特点，设计了采用STM32单片机开发的Cubli自平衡机器人控制系统。该系统采用集成惯性轮、电机、传感器陀螺义、编码器和加速度计等传感器作为机器人的传感器和执行机构。机器人运行平稳，能够满足特种环境作业、教学研究的要求。

关键词：自平衡机器人;单片机;控制系统

中图分类号：TP242   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）04-0048-01

Abstract：In this paper， the self-balancing robot is analyzed theoretically. According to the actual characteristics of the robot control system， the Cubli self-balancing robot control system developed by STM32 microcontroller is designed. The system USES integrated inertial wheel， motor， sensor gyroscope， encoder and accelerometer as sensors and actuators. The robot runs smoothly and can meet the requirements of special environment operation， teaching and research.

Key words：self-balancing robot;Single chip microcomputer;Control system

Cubli自平衡机器人可通过内置的力矩发生装置，能够实现立方体机器人的跳跃运动。立方体机器人控制系统是一个多输入多输出的系统，该系统为强耦合的非线性系统，其控制方法一直是控制领域研究的热点和难点[1]。本文设计的Cabli自平衡机器人由立方体本体、传感器以及微处理器控制系统构成。在微处理器的控制下，立方体本体受到惯性轮加减速转动产生的反作用力矩，传感器将系统参数反馈到控制器实现立方体机器人的姿态控制。

1 Cubli自平衡机器人控制系统原理分析

从建模的角度看，立方体机器人由箱体和布置在箱体三个面上的惯性轮共四个刚体构成。分别以立方体角点o、立方体机器人的质心点c为原点，建立固定坐标系o-xyz、机体坐标系o-xbybzb和惯性轮坐标系o-xf yf zf，其中坐标轴xf、yf、zf分别指向惯性轮A、B、C的回转轴线。

自平衡机器人中的自抗扰控制是以系统设定值、系统被控输出和上一步算出的控制量为其输入确定出新的控制量的控制方法。该方法主要由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈三部分构成。……