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

想要提高自己的機器人制作水平嗎？那你可來對地方了。今天我們的主角ArduRoller就是一臺可以自動平衡的倒立擺機器人，此外它還擁有室內(nèi)外自主導(dǎo)航的能力。這臺非傳統(tǒng)車輛可以快速自主通過一系列障礙、轉(zhuǎn)角、崎嶇路面，水桶和斜坡等對它來說都小菜一碟。此外，它也是我在一年一度的SparkFun無人駕駛車輛競賽中的參賽作品。

首先，我選擇了來自3D Robotics的APM 2.5多模式自動控制系統(tǒng)，因為它集成了幾乎所有機器人所需的傳感器。此外，它構(gòu)造簡單，開源，而且相關(guān)軟件免費，ArduPilot系統(tǒng)也較為成熟。對于剛上手智能機器人的人來說，這絕對是個好平臺。

這款自動平衡機器人采用慣性測量裝置（IMU）作為核心，該裝置包括三軸速率陀螺，加速度計和磁力計，共計九個傳感器，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傳感器的性能。該機器人還搭載了更高級別的代碼，這樣就可快速計算出機器人的實時狀態(tài)（角度和轉(zhuǎn)速等），以更好的保持平衡。

怎樣能使機器人保持平衡？

倒立擺平衡機器人的內(nèi)在特點決定了它其實是不穩(wěn)定的，不過高重心的優(yōu)勢卻給它創(chuàng)造了一個很大的慣性矩，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，不斷移動輪子來抵消這部分傾斜所產(chǎn)生的力，以保持機器人的平衡。

機器人內(nèi)置軟件中的一個簡單的PID回路負(fù)責(zé)控制它的平衡：

比例項會探測到機器人傾斜的角度誤差，隨后便會換算出來回傳給電機，電機就可以控制輪子來抵消這部分力，從而保持平衡。

積分項和上面的原理類似，不過它搜集的是所有角度誤差的總和，從而解決重心問題。

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

讓它動起來

隨后，這個簡單的機器人就可以開始動起來了。不過平衡沒能保持多久，它就因為不斷加速而摔倒了。如果在過程中機器人試圖調(diào)整姿態(tài)，那么它就無法繼續(xù)前行了。

所以我們只好采用垂直滾動的方法來保持前進。首先，要讓輪子的旋轉(zhuǎn)保持一個合理的速度，這樣才能產(chǎn)生足夠抵消機器人傾斜的力。然后，在機器人角度快速變化時再提供一個補償力，以保持它的穩(wěn)定。這一算法來自于對人類的觀察研究，因為人在受外力推擠時會努力保持平衡。舉例來說，足球運動員在碰撞時就會收腿并傾斜身體來保持平衡。

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

自主導(dǎo)航

想要實現(xiàn)自主導(dǎo)航，我們要精確計算出機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，同時也對GPS起到了很好的輔助。來自Pololu公司的電機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)著掠過傳感器，這樣就可以計算出車輪的速度。機器人搭載的Arduino Pro Mini也很強大，它可以讀取來自編碼器的每秒數(shù)千次的脈沖，然后將這些數(shù)據(jù)通過I2C接口傳送給自動駕駛系統(tǒng)。只要知道了輪子的半徑，機器人就可計算出行走的速度和里程。此外，機器人知道自己的前進方向，這樣它就可以在二維空間里精確的給自己定位。GPS在整個過程中反而扮演了輔助的角色，它只要保證機器人能精確的執(zhí)行這一系列動作就行。

如果在行駛中被卡住，機器人也能感覺到，它會倒轉(zhuǎn)輪子行駛并稍微右轉(zhuǎn)再次進行嘗試。

機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間。

別墨跡了，快自己裝一個吧，3-5個小時就能搞定，總花費大約在400到500美元。下面我會列出詳細(xì)的裝配步驟。

第一步：準(zhǔn)備好所有零件

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

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

第二步：用3d打印機制造機身

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

第三步：安裝電機

將電機裝進剛剛打印出的機身中，雖然它機身挺貼合，但我還是加了點熱熔膠。

第四步：連接各電子元器件

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

將GPS模塊和無線電遙測設(shè)備連接起來，以便機器人進行自主操作。

手動操控機器人與你的R/C接收機相連。至于PPM接收機，用APM自帶的跳線連接起來就好。

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

最后，將元器件與電機連起來，并將電路板放進基座中。

第五步：總裝

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

給機器人裝輪子。

這個玻璃罩其實就是從亞馬遜上買的的圣誕樹吊飾，各種LED元器件發(fā)的光會點亮整個機艙。

最后，給機器人側(cè)面裝上無線電遙測設(shè)備，通過它你可以給機器人制定任務(wù)或直接對其進行操縱。

第六步：給機器人寫入程序

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

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

我也用了安卓端的Droid Planner，體驗不錯！

給機器人裝個視頻發(fā)射器和GoPro，這樣你就能看到機器人的第一視角了，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。