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移动式机器人在各行各业具有广泛的应用，而轮式移动机器人由于具有结构简单、可控性强、成本低等优点，成为移动式机器人研究的一个主要方向。自平衡机器人采用水平布置的两轮结构，本身是一个不稳定体。也就是说，自平衡机器人在静止状态下，不能保持平衡，车体总是要向前或向后倾倒；而在运动状态下，可以通过一定的控制策略使它达到动态平衡。
由于自平衡机器人具有内在不稳定性和结构灵活性，国内外机器人爱好者设计了多种结构、外观各异的自平衡机器人，尝试采用各种控制策略使其达到自平衡控制。通常这类机器人采用姿态传感器检测机器人车体的倾倒角度和倾倒角速度，根据当前机器人姿态控制伺服电机驱动电压的转向和转速，从而使机器人保持平衡。该方式制作的自平衡机器人虽然控制性能良好，但成本高，不适合广泛推广。本文设计的机器人尝试采用红外测距传感器测量车体与地面的距离，通过计算获取机器人的姿态信息，进而实现机器人的自平衡。
1 系统结构
本文设计的自平衡机器人系统主要由机械行走装置、控制系统和传感器3部分组成，如图1所示。
机械行走装置主要由车体平台、电机驱动器、直流无刷电机、齿轮减速机构和车轮组成。机器人采用48 V电池供电，通过DC-DC模块转换为5 V和24 V电压。其中，5 V提供给控制系统和传感器，24 V提供给电机驱动器。控制系统以ATMEGA128单片机为主控制芯片，通过SJA1000扩展CAN总线与电机驱动器通信。红外测距传感器的输出是与距离成正比的模拟电压值，输入到单片机的A／D采样端口进行处理，从而得到距离信息。机器人的系统结构框图如图2所示。
2 姿态信息获取
机器人的姿态信息包括倾倒的角度和角速度。如图3所示，机器人左右两侧水平位置各安装有1个红外测距传感器，可以测量与地面之间的距离d1和 d2。当机器人在竖直状态时，左右传感器距离差为零。当机器人倾倒时，距离差与倾倒角度θ成函数关系如下：
sin θ=(d2-d1)／D
其中，D为传感器之间的距离。机器人在竖直动态控制时倾倒角度范围较小，此时sinθ≈θ，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。角速度可以通过θ对时间求导获得。
选用的红外测距传感器为Sharp公司的GP2D12，输出为0．4～2．4 V的模拟信号，对应的测量距离为10～80 cm。在同一温度下，传感器的输出与测量结果呈良好的线性关系，可以满足自平衡机器人的要求。
3 控制系统设计
3．1 机器人平衡控制原理
当车体偏离平衡位置(竖直位置)向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进行计算和判断，车轮随之作出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；同样当车体向后倾斜时，车轮将向后运动。这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态过程中，使车体始终保持在平衡位置附近，达到一种动态平衡。
3．2 控制系统硬件设计
控制系统主芯片选用Atmel公司基于RISC结构的8位单片机ATMEGA128。它采用低功耗CMOS工艺；具有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB的数据SRAM、128 KB的程序Flash、可外扩至64 KB的E2PROM和8个10位ADC通道；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便外部扩展和传感器的接入。
3．2．1 传感信息输入电路
传感器信号通过放大器引入，通过设置反馈电阻(R1和R2)和输出端电阻(R3和R4)的阻值可以使输入的电压值在要求的范围内。具体硬件电路如图4所示。