雙輪自平衡車控制方法

任航

摘 要：雙輪自平衡車是一種理想的代步工具，具有巨大的市場推廣價(jià)值、環(huán)保價(jià)值、社會(huì)效益。雙輪自平衡涉及機(jī)械制造、機(jī)器人研發(fā)、傳感等多個(gè)領(lǐng)域，其控制是一個(gè)復(fù)雜的人機(jī)協(xié)同過程，本次研究從雙輪自平衡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理出發(fā)，探討國內(nèi)外關(guān)于該工具控制方法的研究現(xiàn)狀，概括其研究意義，并總結(jié)研究要點(diǎn)，最后做出展望。

關(guān)鍵詞：雙輪自平衡車；機(jī)械制造；傳感；人機(jī)協(xié)同

改革開放后，我國城市規(guī)模迅速擴(kuò)大、人口呈膨脹式發(fā)展，因歷史、交通建設(shè)、觀念等原因，城市交通出行困難、交通堵塞已成為社會(huì)性問題，不僅影響運(yùn)輸效率，還帶來諸如環(huán)境污染、相關(guān)疾病社會(huì)負(fù)擔(dān)增加等諸多問題。雙輪自平衡車是一種新型交通工具，具有靈活機(jī)動(dòng)、占地面積小、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的日常代步工具，有望解決城市交通問題。雙輪自平衡車其核心技術(shù)是自平衡控制，后者是保證其高機(jī)動(dòng)、安全、低能耗等優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。本次研究就雙輪自平衡控制進(jìn)行概述[1]。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與構(gòu)成

與其它機(jī)動(dòng)車相同，其具有鮮明的結(jié)構(gòu)布局，屬同軸平行布置結(jié)構(gòu)，兩個(gè)平行車輪通過車軸與車體連成一個(gè)整體，為滿足乘坐需要，其重心處于支點(diǎn)也就是輪面上方，非控制狀態(tài)下無法維持平衡，屬自然不穩(wěn)定系統(tǒng)。其相較于前后布置兩輪電動(dòng)自行車，其轉(zhuǎn)彎半徑幾乎為零，原定運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，加載智能控制系統(tǒng)利于掌握，機(jī)械系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)原理簡單，通過重心控制可控制車體運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)。

雙輪自平衡系統(tǒng)核心是智能平衡控制系統(tǒng)，后者可分為雙輪自平衡、一級(jí)倒立擺動(dòng)兩個(gè)子系統(tǒng)，從空間分布上可分為直線旋轉(zhuǎn)立體結(jié)構(gòu)，工作原理類似于人行走過程，除自平衡系統(tǒng)外，整個(gè)載具還包括車體機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳感器測量、電源系統(tǒng)共五個(gè)組成部分[2]。

1.2 工作原理

通過具有測算重力的傳感器、車體狀態(tài)傳感器等多個(gè)傳感器，將獲得數(shù)據(jù)依據(jù)制定好的程序發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)處理后，與預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過處理器據(jù)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，計(jì)算合適的調(diào)整量，輸出并控制驅(qū)動(dòng)器，調(diào)整車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)行動(dòng)，達(dá)到自身平衡狀態(tài)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

雙輪平衡控制系統(tǒng)包括機(jī)器人控制系統(tǒng)以及載具控制系統(tǒng)，早在上世紀(jì)80年代，便已有雙輪平衡控制機(jī)器人誕生，而后逐漸向載具領(lǐng)域擴(kuò)展。不同于機(jī)器人控制，載具研發(fā)對(duì)安全性要求更高，因?yàn)槿司哂休^強(qiáng)的能動(dòng)性、不可預(yù)知性、復(fù)雜性，要求平衡控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，研發(fā)難度更大，但另一方面因人具有自我調(diào)節(jié)功能，控制難度更低。目前，國內(nèi)外關(guān)于雙輪平衡控制機(jī)器人系統(tǒng)與載具系統(tǒng)均較多，前者研發(fā)、制作、實(shí)驗(yàn)成本低，也不存在倫理學(xué)制約，研發(fā)成果較多?？傮w上看，國外研究更為透徹、先進(jìn)，研發(fā)機(jī)構(gòu)較多，市場化程度較高，我國研究集中在高校，成熟的市場產(chǎn)品較少。以下就幾種有較高價(jià)值的研究成果進(jìn)行概述：①國外，瑞士，極點(diǎn)配置；美國S公司，冗余系統(tǒng)；美國TB公司，PD控制；澳大利亞，阿德萊德大學(xué)，PD控制、狀態(tài)反饋控制；加拿大，卡莫森學(xué)院，模糊控制；②國內(nèi)，臺(tái)灣國立大學(xué)，模糊控制；中國，上海交通大學(xué)，模糊與自適應(yīng)控制，中國科技大學(xué)，PID控制，日江電器體重自適應(yīng)控制，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，狀態(tài)發(fā)聵控制[3]。部分產(chǎn)品已經(jīng)上市，載量1-2人，70～120Kg，車速5～60Kg。

3 研究意義

3.1 特殊的代步工具

因具有平穩(wěn)、占地面積小、靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于單人、雙人代步，在機(jī)場、商場、體育館等大型室內(nèi)場所行駛，同時(shí)適用于短途、中途城市交通，使用人員可包括交警、巡警、安保人員、旅客、觀眾、個(gè)人等，適用于狹小空間行駛，速度不快較為安全可靠[4]。同時(shí)，因采用電能，能源獲取方便，有助于減輕能源、環(huán)境負(fù)擔(dān)。

3.2 為相關(guān)技術(shù)研發(fā)、教學(xué)提供途徑

作為一種典型的自平衡系統(tǒng)，因具有較強(qiáng)的市場推廣能力、潛力，可為自平衡系統(tǒng)研發(fā)提供市場動(dòng)力，推動(dòng)自控制算法、重力感應(yīng)、仿生學(xué)、電動(dòng)、機(jī)械制造等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)發(fā)展，為實(shí)驗(yàn)論證積累經(jīng)驗(yàn)。

4 研究要點(diǎn)

雙輪自平衡系統(tǒng)控制方法研究要點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：①電動(dòng)機(jī)問題，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、速度匹配；②平衡系統(tǒng)方面，對(duì)重心位置、負(fù)載的適應(yīng)算法，特別是在空載、帶載方面模式切換；③傳感器方面，傳感器測量車體狀態(tài)可靠性，傳感器分布，對(duì)整個(gè)車輛各部件的協(xié)同問題。

涉及基本必備數(shù)據(jù)包括：控制桿偏離軸角度、車體轉(zhuǎn)彎角度、質(zhì)量重心與輪軸距離、車輪半徑、載體質(zhì)點(diǎn)、輪軸長度、左右輪轉(zhuǎn)角、左右車輪質(zhì)量、車體質(zhì)量、左右電機(jī)轉(zhuǎn)矩、左右輪相摩擦力。此外，還應(yīng)盡可能考慮路面膜材料、風(fēng)阻。

此外為提高系統(tǒng)適應(yīng)性，還需構(gòu)建一套補(bǔ)償控制體系，以提高車輛的適應(yīng)性。

5 小結(jié)

雙輪自平衡車具有巨大的市場推廣價(jià)值，這是推動(dòng)該載具發(fā)展的根本動(dòng)力。現(xiàn)階段，我國限于尚未有相關(guān)行業(yè)規(guī)章制度，研發(fā)制造雙輪自平衡車尚存在較大風(fēng)險(xiǎn)，但筆者相信作為一種符合時(shí)代發(fā)展的新興事物，其具有旺盛的生命力。一線工作者，應(yīng)積極創(chuàng)新，尋求突破，創(chuàng)造、創(chuàng)新雙輪自平衡車控制系統(tǒng)貢獻(xiàn)自己的力量。■

參考文獻(xiàn)

[1]張吉昌，程凱，鄭榮兒，等.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39（3）：467-470

[2]張曉華，張志軍.自平衡式兩輪電動(dòng)車耦合控制研究[J].控制工程，2013，20（1）：27-29.

[3]梁文宇，周惠興，曹榮敏，等.雙輪載人自平衡控制系統(tǒng)研究綜述[J].控制工程，2010，17（S1）：149-151，190.

[4]周振德，胡立生，顧軍.自平衡電動(dòng)車定姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2009，16（S1）：45-48.endprint