編者注：本項(xiàng)目編譯自Makezine，來(lái)自3D Robotics設(shè)計(jì)主管Jason Short。Makezine將本項(xiàng)目的難度定位為：Very Difficult（非常難），夠自信你也來(lái)挑戰(zhàn)一下吧！

想要提高自己的機(jī)器人制作水平嗎？那你可來(lái)對(duì)地方了。今天我們的主角ArduRoller就是一臺(tái)可以自動(dòng)平衡的倒立擺機(jī)器人，此外它還擁有室內(nèi)外自主導(dǎo)航的能力。這臺(tái)非傳統(tǒng)車(chē)輛可以快速自主通過(guò)一系列障礙、轉(zhuǎn)角、崎嶇路面，水桶和斜坡等對(duì)它來(lái)說(shuō)都小菜一碟。此外，它也是我在一年一度的SparkFun無(wú)人駕駛車(chē)輛競(jìng)賽中的參賽作品。

首先，我選擇了來(lái)自3D Robotics的APM 2.5多模式自動(dòng)控制系統(tǒng)，因?yàn)樗闪藥缀跛袡C(jī)器人所需的傳感器。此外，它構(gòu)造簡(jiǎn)單，開(kāi)源，而且相關(guān)軟件免費(fèi)，ArduPilot系統(tǒng)也較為成熟。對(duì)于剛上手智能機(jī)器人的人來(lái)說(shuō)，這絕對(duì)是個(gè)好平臺(tái)。

這款自動(dòng)平衡機(jī)器人采用慣性測(cè)量裝置（IMU）作為核心，該裝置包括三軸速率陀螺，加速度計(jì)和磁力計(jì)，共計(jì)九個(gè)傳感器，總采樣速率可以達(dá)到千次∕秒，此外它還采用了方向余弦矩陣算法（DCM），其搭載的數(shù)學(xué)濾波器則可更好地利用每個(gè)傳感器的性能。該機(jī)器人還搭載了更高級(jí)別的代碼，這樣就可快速計(jì)算出機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)（角度和轉(zhuǎn)速等），以更好的保持平衡。

怎樣能使機(jī)器人保持平衡？

倒立擺平衡機(jī)器人的內(nèi)在特點(diǎn)決定了它其實(shí)是不穩(wěn)定的，不過(guò)高重心的優(yōu)勢(shì)卻給它創(chuàng)造了一個(gè)很大的慣性矩，從而放緩了它傾斜的速度。在操作中我們就可以利用這一特性，不斷移動(dòng)輪子來(lái)抵消這部分傾斜所產(chǎn)生的力，以保持機(jī)器人的平衡。

機(jī)器人內(nèi)置軟件中的一個(gè)簡(jiǎn)單的PID回路負(fù)責(zé)控制它的平衡：

比例項(xiàng)會(huì)探測(cè)到機(jī)器人傾斜的角度誤差，隨后便會(huì)換算出來(lái)回傳給電機(jī)，電機(jī)就可以控制輪子來(lái)抵消這部分力，從而保持平衡。

積分項(xiàng)和上面的原理類(lèi)似，不過(guò)它搜集的是所有角度誤差的總和，從而解決重心問(wèn)題。

相比前兩項(xiàng)，微分項(xiàng)更加關(guān)鍵，少了它我們就無(wú)法控制機(jī)器人的加減速。

讓它動(dòng)起來(lái)

隨后，這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人就可以開(kāi)始動(dòng)起來(lái)了。不過(guò)平衡沒(méi)能保持多久，它就因?yàn)椴粩嗉铀俣さ沽?。如果在過(guò)程中機(jī)器人試圖調(diào)整姿態(tài)，那么它就無(wú)法繼續(xù)前行了。

所以我們只好采用垂直滾動(dòng)的方法來(lái)保持前進(jìn)。首先，要讓輪子的旋轉(zhuǎn)保持一個(gè)合理的速度，這樣才能產(chǎn)生足夠抵消機(jī)器人傾斜的力。然后，在機(jī)器人角度快速變化時(shí)再提供一個(gè)補(bǔ)償力，以保持它的穩(wěn)定。這一算法來(lái)自于對(duì)人類(lèi)的觀察研究，因?yàn)槿嗽谑芡饬ν茢D時(shí)會(huì)努力保持平衡。舉例來(lái)說(shuō)，足球運(yùn)動(dòng)員在碰撞時(shí)就會(huì)收腿并傾斜身體來(lái)保持平衡。

以上兩點(diǎn)是機(jī)器人平衡算法的關(guān)鍵，只有這樣機(jī)器人才能走的更順，走的更遠(yuǎn)。

自主導(dǎo)航

想要實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，我們要精確計(jì)算出機(jī)器人所在方位和其目的地。GPS很有用，但其精度只有幾米，而機(jī)器人需要的是精確到厘米的定位準(zhǔn)確度。

輪式編碼器則可將精度提高到毫米級(jí)，同時(shí)也對(duì)GPS起到了很好的輔助。來(lái)自Pololu公司的電機(jī)則搭載了可選的霍爾效應(yīng)傳感器，讓它可以這樣工作：小型磁鐵旋轉(zhuǎn)著掠過(guò)傳感器，這樣就可以計(jì)算出車(chē)輪的速度。機(jī)器人搭載的Arduino Pro Mini也很強(qiáng)大，它可以讀取來(lái)自編碼器的每秒數(shù)千次的脈沖，然后將這些數(shù)據(jù)通過(guò)I2C接口傳送給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。只要知道了輪子的半徑，機(jī)器人就可計(jì)算出行走的速度和里程。此外，機(jī)器人知道自己的前進(jìn)方向，這樣它就可以在二維空間里精確的給自己定位。GPS在整個(gè)過(guò)程中反而扮演了輔助的角色，它只要保證機(jī)器人能精確的執(zhí)行這一系列動(dòng)作就行。

如果在行駛中被卡住，機(jī)器人也能感覺(jué)到，它會(huì)倒轉(zhuǎn)輪子行駛并稍微右轉(zhuǎn)再次進(jìn)行嘗試。

機(jī)器人的其它控制軟件，包括路徑導(dǎo)航系統(tǒng)，基本都是ArduCopter上的改進(jìn)版，這樣我們就站在了前人的肩膀上，省下了大量的精力和時(shí)間。

別墨跡了，快自己裝一個(gè)吧，3-5個(gè)小時(shí)就能搞定，總花費(fèi)大約在400到500美元。下面我會(huì)列出詳細(xì)的裝配步驟。

第一步：準(zhǔn)備好所有零件

Pololu有刷直流電機(jī)已經(jīng)裝上了編碼器，此外，一個(gè)34:1的齒輪減速裝置有助于提高電機(jī)的扭矩。

加裝了編碼器的輪胎可以完美適配4毫米的電機(jī)軸，粗獷的輪胎還可以提升機(jī)器人的越野能力，并在行進(jìn)中吸收多余震動(dòng)。

第二步：用3d打印機(jī)制造機(jī)身

你可以在這里找到用于3D打印的技術(shù)文檔，在打印過(guò)程中我使用了MakerBot Replicator 2X 3D打印機(jī)。

第三步：安裝電機(jī)

將電機(jī)裝進(jìn)剛剛打印出的機(jī)身中，雖然它機(jī)身挺貼合，但我還是加了點(diǎn)熱熔膠。

第四步：連接各電子元器件

將APM控制系統(tǒng)與電機(jī)端罩、邏輯電平轉(zhuǎn)換器和Arduino Mini 按電路圖（原大圖）依次連接起來(lái)。

將GPS模塊和無(wú)線電遙測(cè)設(shè)備連接起來(lái)，以便機(jī)器人進(jìn)行自主操作。

手動(dòng)操控機(jī)器人與你的R/C接收機(jī)相連。至于PPM接收機(jī)，用APM自帶的跳線連接起來(lái)就好。

用熱熔膠將元器件粘在一塊塑料板上，這樣更容易塞進(jìn)機(jī)器人。另外，自動(dòng)控制系統(tǒng)可別裝錯(cuò)了方向。

最后，將元器件與電機(jī)連起來(lái)，并將電路板放進(jìn)基座中。

第五步：總裝

將機(jī)身中部裝在基座上，然后將機(jī)身上部按緊，電池就放在機(jī)身上部，然后將電源裝在機(jī)器人側(cè)面。

給機(jī)器人裝輪子。

這個(gè)玻璃罩其實(shí)就是從亞馬遜上買(mǎi)的的圣誕樹(shù)吊飾，各種LED元器件發(fā)的光會(huì)點(diǎn)亮整個(gè)機(jī)艙。

最后，給機(jī)器人側(cè)面裝上無(wú)線電遙測(cè)設(shè)備，通過(guò)它你可以給機(jī)器人制定任務(wù)或直接對(duì)其進(jìn)行操縱。

第六步：給機(jī)器人寫(xiě)入程序

下載ArduRoller的源代碼，并使用名為ArduPilot-Arduino 的工具將其灌入APM 2.5。

下載輪式編碼器的源代碼，然后用Arduino IDE將其灌入Pro Mini。

想要讓機(jī)器人自主執(zhí)行任務(wù)，你需要下載PC版的Mission Planner，或者下載安卓版的DroidPlanner 2。

第七步：大功告成

裝好機(jī)器人之后就可以盡情玩耍了，你可以用R/C遙控器來(lái)操控它，或者直接讓它靠GPS自主執(zhí)行任務(wù)。在Mission Planner軟件上，你只需幾個(gè)點(diǎn)擊動(dòng)作就可以使用谷歌地圖并追蹤機(jī)器人的位置、速度和行進(jìn)方向等，此外你還可以運(yùn)行自己的Pyrhon腳本，下載并分析任務(wù)日志等。

我也用了安卓端的Droid Planner，體驗(yàn)不錯(cuò)！

給機(jī)器人裝個(gè)視頻發(fā)射器和GoPro，這樣你就能看到機(jī)器人的第一視角了，挺有趣的。另外，你還可以給它搭載聲納系統(tǒng)，這樣它就能成為躲避障礙的行家里手了。