前言

移动机器人是机器人的一个重要分支。移动机器人具备优良的稳定性和快速移动能力等优点，适用于对机动性和负载能力有一定要求的场合。轮式机器人作为移动机器人的一种，将更广泛地应用到工业制造及物流运输等场景中，成为节省人力成本、提高生产运输效率、完成特殊环境工作的必不可少的核心力量。

智能平衡移动机器人，由于结构轻便、灵活、零转弯半径等方面的特点，在以上领域将更具优势。以此为基础的轮式机器人平台，将成为未来一段时间的研究热点。该平台的通用性与可拓展性可以为智能平衡移动机器人赋予更多的功能和应用场合，促进其进一步的研究与扩展，同时其控制理论与开发方法在类似移动机器人平台的设计过程中也具有拓展性和参考价值。

智能平衡移动机器人的研究与应用是一门实践性很强的学科，同时也具有坚实的理论基础。但以往关于平衡移动机器人的书籍往往存在两种倾向： 一种是过于偏重理论推导和分析，与实际的工程实践与应用相脱节，难以引起读者(特别是初学者)的兴趣； 另一种基本上是用户使用说明书，读者难以理解各种操作背后的理论知识，从而无法使其对智能平衡移动机器人的控制进行深入学习。

本书紧扣读者需求，采用循序渐进的叙述方式，深入浅出地论述了智能平衡移动机器人的热点问题、关键技术、应用实例和解决方案。此外，本书还分享了大量的程序源代码并附有详细的注解以及仿真模型搭建过程，有助于读者加深对智能平衡移动机器人控制相关原理的理解。

一、  内容特色

与同类书籍相比，本书有如下特色。

1. 例程丰富，内容翔实

本书提供了多个应用案例，这些应用案例由浅入深可分为3部分： 基础外设应用、基于智能平衡移动机器人模块的外设应用、基于智能平衡移动机器人的综合应用，这3部分应用构成了由浅入深的学习阶梯，便于读者一步一步达到最终的学习目标。此外，本书还提供了从零基础入门的ADC、TIM1~4、UART1~2、IIC、GPIO、SPI、SWD、EXTI的实验案例，以及平衡移动机器人的控制案例，融合多种传感器、伺服电机、显示屏、电池、计算机软件监控、PID控制算法，使读者能更好、更系统地掌握单片机技术的开发和应用，而不是孤立的一个程序。本书所提供的编程思想、经验技巧，也可为读者采用其他机器人进行编程控制提供借鉴。

2. 原理透彻，注重应用

将理论和实践有机地结合是进行智能平衡移动机器人研究和应用成功的关键。本书将智能平衡移动机器人控制的相关理论在硬件和软件方面进行了详细的叙述和透彻的分析，既体现了各知识点之间的联系，又兼顾了其渐进性。在本书第5、6、7章中详细介绍了智能平衡移动机器人的基础应用、进阶应用和综合应用等多个应用实例，这些实例不但可以加深读者对所学知识的理解，而且也展现了智能平衡移动机器人研究和应用的研究热点。本书真正体现了理论联系实际的理念，使读者能够体会到“学以致用”的乐趣。

多样化、实用化、详细化是本书介绍的实例的特点。本书讲解的实例涉及单片机、C语言编程、建模仿真、电动机技术、传感器与检测技术、理论力学、MATLAB、信号与系统等多个方面，既有经典实例（如，利用GPIO点亮一个LED灯），又有拓展实例（如，利用eCAP模块结合智能平衡移动机器人的超声波模块HCSR04进行距离检测），既体现智能平衡移动机器人的基础知识（如，基础平衡控制系统框架搭建），又体现创新融合（如，利用红外循迹模块完成移动机器人循迹运动）。

3. 传承经典，突出前沿

本书提供了MBD工程开发方法： 融合建模、仿真、实时控制、自动代码生成、硬件在环仿真、快速控制原型技术。MBD在降低产品成本、提高生产效率等多方面有着巨大的优势。此外,书中提供的众多实例都基于MBD进行开发，非常有助于提升读者的科研能力。

4. 图文并茂，语言生动

为了更加便于读者理解知识要点，本书配备了大量模型搭建过程截图，以便提升读者的兴趣，加深对相关理论的理解。在文字叙述上，本书摒弃了枯燥的平铺直叙，采用案例与问题引导式，有助于读者对原理的进一步理解。

二、  结构安排

本书主要介绍智能平衡移动机器人控制的相关知识，共分为7章。全书的体系框架由甄圣超老师提出，全文由甄圣超老师修改审定。

 第1章介绍了智能平衡移动机器人的背景、优势以及平台简介。

 第2章介绍了智能平衡移动机器人平台的搭建以及软件的安装和应用。

 第3章介绍了智能平衡移动机器人的硬件电路接口、主控制板电路、电源管理电路、电动机驱动电路、直流电动机驱动H桥电路、传感器和外设模块的原理和设计。

 第4章介绍了智能平衡移动机器人所用的数字信号处理器TMS320F28069的特点和引脚与功能的数字控制系统，并对控制系统和系统控制器进行理论分析。

 第5章介绍了智能平衡移动机器人芯片TMS320F28069内外设的使用原理，并以基础应用为例结合MATLAB/Simulink实现芯片外设的模型搭建及自动代码生成。

 第6章介绍了进阶应用的相关MATLAB/Simulink模型搭建与仿真。

 第7章介绍了智能平衡移动机器人平衡控制和红外循迹的基本原理，以及相关的MATLAB/Simulink的仿真实验，包括直立环和速度环的直立控制、红外循迹应用等。

三、 配套资源

 教学课件、工程文件、教学大纲等资料，关注“人工智能科学与技术”微信公众号，在“知识”→“资源下载”→“配书资源”菜单获取下载链接（也可以到清华大学出版社网站本书页面下载）。

 微课视频（25集，共220分钟），扫描书中各章节对应位置的二维码观看。

四、  读者对象

 对智能平衡移动机器人感兴趣的读者。

 机械工程、电气自动化、电子信息、计算机相关专业的本科生、研究生。

 相关工程技术人员。

五、  致谢

在本书的编写过程中，得到了很多同学、同事的帮助，包括马牧村、吴赶明、黎秀玉、郝军舰、王君、张猛、权海铭、段汉松、陈现敏、袁增武、陈乔、王强、章亮、李家旺等，感谢他们的参与。

同时，本书的撰写也得到了清华大学出版社的支持，大到全书的架构，小到文字的推敲，清华大学出版社工作人员给予了我们极大的帮助，从而使本书的质量有了极大的提升。

限于编者的水平和经验，疏漏或者错误之处在所难免，敬请读者批评指正，联系邮箱见配套资源中。

编者2022年1月