基于Arduino平臺的自平衡二輪排爆車

惠易佳 姜 羨 朱再強

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

兩輪自平衡機器人系統(tǒng)是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng),它實際上是一個可以行走的一級倒立擺。兩輪自平衡機器人由于為欠驅(qū)動系統(tǒng),運動學方程不能完整地描述系統(tǒng)的行為,并且此時系統(tǒng)為不可控,要解決兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的平衡問題就必須考慮動力學對它的影響。

西安電子科技大學研究出了自平衡兩輪小車，它是由一種兩輪式左右并行布置機構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。他選擇兩個Maxson電機作為執(zhí)行元件，采用自適應神經(jīng)模糊控制器對小車這一非線性對象進行控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。

Arduino目前主要運用于飛行控制方面，我們閱讀其內(nèi)部封裝的程序語言，并在理解的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自由運用，將其移植在二輪自平衡小車上。利用MATLAB進行仿真，為其實現(xiàn)具體功能進行控制方面的建模，運用自動控制原理設計姿態(tài)、運動閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器以及控制參數(shù)的整定。

本文所述小車運用Arduino平臺對二輪平衡車實現(xiàn)運動姿態(tài)的控制，以實現(xiàn)二輪小車的自動平衡功能，并在此基礎(chǔ)上增加障礙避讓，定點定航等功能，開發(fā)出基于Arduino平臺的二輪平衡排爆車。

對于小車控制器的原理，我們運用的方法是控制系統(tǒng)反饋狀態(tài)為小車的傾角、角速率、位移和輪速，四個量的檢算則是由陀螺儀和、速度計和電機編碼器完成。在此系統(tǒng)中，由輸入矩陣和狀態(tài)矩陣，施加給被控對象的力矩根據(jù)在控制程序中將力矩轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，即PWM值。

利用四個狀態(tài)量組成負反饋，記反饋增益為K，在下文計算得出。

為了對理論的出的結(jié)論進行更好的仿真，我們借助MATLAB強大的數(shù)學計算，利用極點配置方法計算反饋增益，同時通過Simulink仿真的方式比較不同極點下，小車的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以此為小車選擇相對較優(yōu)的平衡參數(shù)。

采用極點配置法， 取期望極點為 P1=（-9+18×j-9-18×j-10-20），利用 MATLAB 中的 place、acker等函數(shù)，計算得出 K=acker（A，B，P）=（）。帶入Simulink中可得如圖仿真結(jié)果，結(jié)果如圖。

通過MATLAB仿真，我們可以看出：靠近原點的極點，K值小，曲線收斂速度慢，小車的動態(tài)性能不足，但是波動較小，產(chǎn)生超調(diào)量較小，不會引起小車的不穩(wěn)定。

目前二輪平衡車僅用于載人代步工具，我們的項目是一種對二輪平衡小車新的開發(fā)方向，為后期的新思路，新創(chuàng)意積累寶貴經(jīng)驗。特別是將二輪平衡小車用于排爆，其具有占地面積小，高度可調(diào)節(jié)，適用性好，成本低，安全可靠，再開發(fā)潛力大等特點，靈活機動，可以做不同動作，適應于排爆時的復雜條件，具有非常巨大的實用價值。

［1］楊繼志,郭敬.Arduino的互動產(chǎn)品平臺創(chuàng)新設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012,4.

［2］蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012(16).

［3］K.C.Chang and O.Khatib.Operational space dynamics:E?cient algorithms for mod-eling and control of branching mechanisms[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.April 2000.