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編者注：本項(xiàng)目編譯自Makezine，來自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(jī)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?yàn)樗闪藥缀跛袡C(jī)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(fèi)，ArduPilot系統(tǒng)也較為成熟。對于剛上手智能機(jī)器人的人來說，這絕對是個好平臺。
這款自動平衡機(jī)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(jì)和磁力計(jì)，共計(jì)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(jī)器人還搭載了更高級別的代碼，這樣就可快速計(jì)算出機(jī)器人的實(shí)時狀態(tài)（角度和轉(zhuǎn)速等），以更好的保持平衡。先來看個視頻吧：
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(jī)器人的平衡。
機(jī)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(xiàng)會探測到機(jī)器人傾斜的角度誤差，隨后便會換算出來回傳給電機(jī)，電機(jī)就可以控制輪子來抵消這部分力，從而保持平衡。
積分項(xiàng)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(xiàng)，微分項(xiàng)更加關(guān)鍵，少了它我們就無法控制機(jī)器人的加減速。
隨后，這個簡單的機(jī)器人就可以開始動起來了。不過平衡沒能保持多久，它就因?yàn)椴粩嗉铀俣さ沽恕Ｈ绻谶^程中機(jī)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(jìn)。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(jī)器人傾斜的力。然后，在機(jī)器人角度快速變化時再提供一個補(bǔ)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?yàn)槿嗽谑芡饬ν茢D時會努力保持平衡。舉例來說，足球運(yùn)動員在碰撞時就會收腿并傾斜身體來保持平衡。
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)。
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，同時也對GPS起到了很好的輔助。來自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)著掠過傳感器，這樣就可以計(jì)算出車輪的速度。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(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在整個過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)行這一系列動作就行。
如果在行駛中被卡住，機(jī)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(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間。
別墨跡了，快自己裝一個吧，3-5個小時就能搞定，總花費(fèi)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(jī)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(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。
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。
將GPS模塊和無線電遙測設(shè)備連接起來，以便機(jī)器人進(jìn)行自主操作。
手動操控機(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，自動控制系統(tǒng)可別裝錯了方向。
最后，將元器件與電機(jī)連起來，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。
這個玻璃罩其實(shí)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(diǎn)亮整個機(jī)艙。
最后，給機(jī)器人側(cè)面裝上無線電遙測設(shè)備，通過它你可以給機(jī)器人制定任務(wù)或直接對其進(jìn)行操縱。
第六步：給機(jī)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(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(diǎn)擊動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！
給機(jī)器人裝個視頻發(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。
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