智能平衡移動機器人(MATLAB/Simulink版‧微課視頻版)（簡體書）

《智能平衡移動機器人》全面介紹了智能平衡移動機器人的應用平臺搭建、平臺的硬件電路、數字控制系統和一系列開發移動機器人的應用。這些應用由淺入深可分為3部分： 基礎外設應用、基於機器人外設的進階應用、基於機器人外設的綜合應用，這3部分應用構成了讀者學習平衡移動機器人技術的階梯。本書在此基礎上著重介紹了基於模型設計的開發方法、TMS320F28069控制芯片的特點、引腳與功能，以及Embedded Coder Support Packages for Texa Instruments C2000的硬件支持包。綜合來看，讀者可以方便快捷地實現基礎應用、進階應用和綜合應用的學習，同時獲得更多關於機器人平臺硬件、軟件等多個方面的綜合知識。

《智能平衡移動機器人》適合作為高等院校機械、電氣、自動化以及計算機專業高年級本科生和研究生的教材，同時可供對於基於模型的開發方法感興趣的科研人員、從事MATLAB/Simulink開發的研究人員參考。

甄聖超，合肥工業大學副教授，機械電子工程專業，研究生導師，合肥工業大學智能製造技術研究院機器人創新平臺負責人、動力學與控制研究中心主任。碩博期間，於美國佐治亞理工學院機電系師從Ye-Hwa Chen教授進行機器人動力學與控制理論的研究。主持合肥工業大學智能製造技術研究院機器人公共平臺建設項目、國家自然科學基金青年科學基金項目與面上項目、中國博士後科學基金面上項目（一等資助）、浙江省重點研發項目等。主持機器人相關橫向項目10余項。近5年來，致力於協作機器人、智能控制等方向的學術研究，在國際國內權威期刊上以第一作者或通訊作者發表論文40余篇，出版專著《機電系統動力學控制理論——U-K動力學理論的拓展與應用》，授權國家發明專利15項，軟件著作權30余項。

前言

移動機器人是機器人的一個重要分支。移動機器人具備優良的穩定性和快速移動能力等優點，適用於對機動性和負載能力有一定要求的場合。輪式機器人作為移動機器人的一種，將更廣泛地應用到工業製造及物流運輸等場景中，成為節省人力成本、提高生產運輸效率、完成特殊環境工作的必不可少的核心力量。

智能平衡移動機器人，由於結構輕便、靈活、零轉彎半徑等方面的特點，在以上領域將更具優勢。以此為基礎的輪式機器人平臺，將成為未來一段時間的研究熱點。該平臺的通用性與可拓展性可以為智能平衡移動機器人賦予更多的功能和應用場合，促進其進一步的研究與擴展，同時其控制理論與開發方法在類似移動機器人平臺的設計過程中也具有拓展性和參考價值。

智能平衡移動機器人的研究與應用是一門實踐性很強的學科，同時也具有堅實的理論基礎。但以往關於平衡移動機器人的書籍往往存在兩種傾向： 一種是過於偏重理論推導和分析，與實際的工程實踐與應用相脫節，難以引起讀者(特別是初學者)的興趣； 另一種基本上是用戶使用說明書，讀者難以理解各種操作背後的理論知識，從而無法使其對智能平衡移動機器人的控制進行深入學習。

本書緊扣讀者需求，採用循序漸進的敘述方式，深入淺出地論述了智能平衡移動機器人的熱點問題、關鍵技術、應用實例和解決方案。此外，本書還分享了大量的程序源代碼並附有詳細的注解以及仿真模型搭建過程，有助於讀者加深對智能平衡移動機器人控制相關原理的理解。

一、 內容特色

與同類書籍相比，本書有如下特色。

1. 例程豐富，內容翔實

本書提供了多個應用案例，這些應用案例由淺入深可分為3部分： 基礎外設應用、基於智能平衡移動機器人模塊的外設應用、基於智能平衡移動機器人的綜合應用，這3部分應用構成了由淺入深的學習階梯，便於讀者一步一步達到最終的學習目標。此外，本書還提供了從零基礎入門的ADC、TIM1~4、UART1~2、IIC、GPIO、SPI、SWD、EXTI的實驗案例，以及平衡移動機器人的控制案例，融合多種傳感器、伺服電機、顯示屏、電池、計算機軟件監控、PID控制算法，使讀者能更好、更系統地掌握單片機技術的開發和應用，而不是孤立的一個程序。本書所提供的編程思想、經驗技巧，也可為讀者採用其他機器人進行編程控制提供借鑒。

2. 原理透徹，注重應用

將理論和實踐有機地結合是進行智能平衡移動機器人研究和應用成功的關鍵。本書將智能平衡移動機器人控制的相關理論在硬件和軟件方面進行了詳細的敘述和透徹的分析，既體現了各知識點之間的聯繫，又兼顧了其漸進性。在本書第5、6、7章中詳細介紹了智能平衡移動機器人的基礎應用、進階應用和綜合應用等多個應用實例，這些實例不但可以加深讀者對所學知識的理解，而且也展現了智能平衡移動機器人研究和應用的研究熱點。本書真正體現了理論聯繫實際的理念，使讀者能夠體會到“學以致用”的樂趣。

多樣化、實用化、詳細化是本書介紹的實例的特點。本書講解的實例涉及單片機、C語言編程、建模仿真、電動機技術、傳感器與檢測技術、理論力學、MATLAB、信號與系統等多個方面，既有經典實例（如，利用GPIO點亮一個LED燈），又有拓展實例（如，利用eCAP模塊結合智能平衡移動機器人的超聲波模塊HCSR04進行距離檢測），既體現智能平衡移動機器人的基礎知識（如，基礎平衡控制系統框架搭建），又體現創新融合（如，利用紅外循跡模塊完成移動機器人循跡運動）。

3. 傳承經典，突出前沿

本書提供了MBD工程開發方法： 融合建模、仿真、實時控制、自動代碼生成、硬件在環仿真、快速控制原型技術。MBD在降低產品成本、提高生產效率等多方面有著巨大的優勢。此外,書中提供的眾多實例都基於MBD進行開發，非常有助於提升讀者的科研能力。

4. 圖文並茂，語言生動

為了更加便於讀者理解知識要點，本書配備了大量模型搭建過程截圖，以便提升讀者的興趣，加深對相關理論的理解。在文字敘述上，本書摒棄了枯燥的平鋪直敘，採用案例與問題引導式，有助於讀者對原理的進一步理解。

二、 結構安排

本書主要介紹智能平衡移動機器人控制的相關知識，共分為7章。全書的體系框架由甄聖超老師提出，全文由甄聖超老師修改審定。

 第1章介紹了智能平衡移動機器人的背景、優勢以及平臺簡介。

 第2章介紹了智能平衡移動機器人平臺的搭建以及軟件的安裝和應用。

 第3章介紹了智能平衡移動機器人的硬件電路接口、主控制板電路、電源管理電路、電動機驅動電路、直流電動機驅動H橋電路、傳感器和外設模塊的原理和設計。

 第4章介紹了智能平衡移動機器人所用的數字信號處理器TMS320F28069的特點和引腳與功能的數字控制系統，並對控制系統和系統控制器進行理論分析。

 第5章介紹了智能平衡移動機器人芯片TMS320F28069內外設的使用原理，並以基礎應用為例結合MATLAB/Simulink實現芯片外設的模型搭建及自動代碼生成。

 第6章介紹了進階應用的相關MATLAB/Simulink模型搭建與仿真。

 第7章介紹了智能平衡移動機器人平衡控制和紅外循跡的基本原理，以及相關的MATLAB/Simulink的仿真實驗，包括直立環和速度環的直立控制、紅外循跡應用等。

三、 配套資源

 教學課件、工程文件、教學大綱等資料，關注“人工智能科學與技術”微信公眾號，在“知識”→“資源下載”→“配書資源”菜單獲取下載鏈接（也可以到清華大學出版社網站本書頁面下載）。

 微課視頻（25集，共220分鐘），掃描書中各章節對應位置的二維碼觀看。

四、 讀者物件

 對智能平衡移動機器人感興趣的讀者。

 機械工程、電氣自動化、電子信息、計算機相關專業的本科生、研究生。

 相關工程技術人員。

五、 致謝

在本書的編寫過程中，得到了很多同學、同事的幫助，包括馬牧村、吳趕明、黎秀玉、郝軍艦、王君、張猛、權海銘、段漢松、陳現敏、袁增武、陳喬、王強、章亮、李家旺等，感謝他們的參與。

同時，本書的撰寫也得到了清華大學出版社的支持，大到全書的架構，小到文字的推敲，清華大學出版社工作人員給予了我們極大的幫助，從而使本書的質量有了極大的提升。

限於編者的水平和經驗，疏漏或者錯誤之處在所難免，敬請讀者批評指正，聯繫郵箱見配套資源中。

編者2022年1月

目錄

第1章緒論視頻講解： 6分鐘（1集）

1.1背景介紹

1.1.1智能平衡移動機器人介紹

1.1.2智能平衡移動機器人應用

1.1.3基於模型設計與自動代碼生成技術簡介

1.2智能平衡移動機器人優勢

1.3本書內容

1.3.1應用平臺

1.3.2應用內容

1.3.3本書特色

1.4本章小結

第2章應用平臺的搭建視頻講解： 18分鐘（3集）

2.1應用平臺概述

2.1.1硬件平臺

2.1.2軟件平臺

2.1.3MBD開發流程

2.2集成開發環境

2.2.1開發環境介紹

2.2.2軟件安裝及配置

2.2.3軟件應用基礎

2.2.4軟件高級應用

2.3本章小結

第3章平臺硬件電路介紹視頻講解： 15分鐘（2集）

3.1硬件電路接口設計

3.2主控制板電路

3.3電源管理電路

3.4電動機驅動電路

3.5直流電動機驅動H橋電路

3.6傳感器與外設模塊

3.6.1基於陀螺儀與加速度計的姿態測量

3.6.2藍牙通信模塊

3.6.3OLED顯示模塊

3.7本章小結

第4章數字控制系統視頻講解： 17分鐘（2集）

4.1數字信號處理器介紹

4.1.1TMS320F28069芯片特點

4.1.2處理器引腳及功能

4.2控制系統簡介

4.3系統控制器

4.3.1速度控制器

4.3.2方向控制器

4.3.3系統控制框架

4.4本章小結

第5章基礎應用視頻講解： 72分鐘（8集）

5.1GPIO

5.1.1GPIO_OUTPUT控制LED燈

5.1.2GPIO_INPUT掃描_NORMAL模式

5.1.3GPIO_INPUT掃描_EXTERNAL模式

5.1.4GPIO_INPUT中斷控制LED燈

5.2ADC

5.2.1ADC基本原理

5.2.2ADC_NORMAL模式

5.2.3ADC_EXTERNAL模式

5.3Timer_IT

5.4ePWM

5.4.1ePWM_單路輸出

5.4.2ePWM_雙路互補輸出

5.4.3ePWM_中斷

5.5eCAP

5.5.1eCAP基本介紹

5.5.2eCAP捕獲PWM脈衝

5.6SCI串行通信

5.6.1SCI通信基本原理

5.6.2SCI收發數據

5.7SPI串行通信

5.7.1SPI概述

5.7.2SPI控制PWM占空比

5.8IdelTask模塊介紹

5.9WatchDog模塊介紹

5.10本章小結

第6章進階應用視頻講解： 65分鐘（7集）

6.1eCAP超聲波測距

6.2ePWM電動機調速

6.3eQEP正交解碼

6.3.1正交編碼器QEP概述

6.3.2光電編碼器電動機測速的基本原理

6.3.3eQEP正交解碼模塊使用說明

6.3.4編碼器信號采集

6.4SIL軟件在環測試

6.5PIL處理器在環測試

6.6SFunction

6.6.1使用手寫SFunction合並定制代碼

6.6.2使用SFunction Builder模塊合並定制代碼

6.6.3使用代碼繼承工具合並定制代碼

6.7OLED12864顯示

6.8MPU6050數據讀取

6.9ADC電壓采集

6.10本章小結

第7章綜合應用視頻講解： 27分鐘（2集）

7.1平衡控制——直立環

7.1.1平衡控制原理

7.1.2平衡控制模型

7.1.3平衡控制中基於模型設計與自動代碼生成技術

7.1.4平衡控制應用現象

7.2平衡控制——速度環

7.2.1應用原理

7.2.2速度控制模型

7.2.3速度控制應用現象

7.3APP控制

7.3.1應用原理

7.3.2APP控制模型

7.3.3APP控制應用現象

7.4紅外循跡應用

7.4.1模塊介紹

7.4.2使用原理

7.4.3模型搭建

7.5本章小結

參考文獻