兩輪載人自平衡車姿態(tài)測(cè)量單元設(shè)計(jì)

張艷萍+蘇敏

摘要：隨著交通和環(huán)境問題日益突出，兩輪載人自平衡車作為一種代步工作，具有使用簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)用靈活的特點(diǎn)，尤其是在狹小的地帶，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本論文以兩輪載人自平衡車為研究對(duì)象，對(duì)兩輪載人自平衡車的姿態(tài)測(cè)量單元設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，從而有效提高了自平衡車姿態(tài)角測(cè)量的精度，為自平衡控制的實(shí)現(xiàn)提供了有效的保證。

關(guān)鍵詞：自平衡車；姿態(tài)測(cè)量；單元設(shè)計(jì)

兩輪自平衡車是動(dòng)態(tài)機(jī)器人的一種。在21世紀(jì)初期，美國(guó)發(fā)明家借鑒倒立擺的原理，利用自平衡技術(shù)推出了“Swgway”的載人代步工具。載人平衡車系統(tǒng)，以鉛蓄電池作為能量來源，通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用兩輪平行安裝的方式，在使用過程中，具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易等特點(diǎn)。

一、兩輪載人自平衡車概述

（一）兩輪載人自平衡車基本原理

兩輪載人自平衡車具有左右兩輪的電動(dòng)代步車，屬于同軸平行布置結(jié)構(gòu)，是一種典型的類倒立擺欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有擺具有不穩(wěn)定、非線性、強(qiáng)耦合及自然不穩(wěn)定的特點(diǎn)，系統(tǒng)通過檢測(cè)車體傾斜角度，并利用平衡的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)左右電機(jī)的控制，從而有效控制兩輪自平衡車的控制。

兩輪載人自平衡車在使用的時(shí)候，無需采用任何控制措施，一旦在使用的時(shí)候，突然出現(xiàn)放手的現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致平衡車向前或者向后傾倒。當(dāng)使用這站在自平衡車上時(shí)，使用者的重心就會(huì)位于支點(diǎn)的上方，當(dāng)支點(diǎn)和重心處于豎直方向同一直線上，只有相對(duì)速度為零，才能維持平衡。因此，在使用兩輪載人自平衡車時(shí)，只有通過強(qiáng)有力的控制手段，產(chǎn)生抵抗傾斜的力矩，才能更好地控制自平衡車的動(dòng)態(tài)平衡狀況，從而有效地抑制自平衡車在運(yùn)行過程中發(fā)生傾倒的現(xiàn)象。

（二）兩輪載人自平衡車的控制特點(diǎn)

1.平衡控制。兩輪載人自平衡車在使用過程中，主要是通過采取負(fù)反饋的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。自平衡車在運(yùn)行的過程中，當(dāng)小車一旦偏離平衡點(diǎn)時(shí)，小車受到的回復(fù)力和位移偏離方向相同，在沒有外力的情況下，小車就無法實(shí)現(xiàn)平衡的狀態(tài)。在這種情況下，就要通過施加與回復(fù)力相反方向的力，使其在某個(gè)平衡點(diǎn)的力達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.速度控制。兩輪載人平衡車在保持平衡的前提下，還要對(duì)速度進(jìn)行控制。通常，小車的速度是通過自平衡車的傾角的大小來加以調(diào)整的。自平衡車在運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)前傾角越大時(shí)，小車前進(jìn)的速度也越快；反之，當(dāng)后傾角角度越大時(shí)，前進(jìn)的速度也就越慢。

3.方向控制。在兩輪載人自平衡車的控制中，主要通過轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)對(duì)方向進(jìn)行控制。在自平衡車的車體和轉(zhuǎn)向桿連接處安裝轉(zhuǎn)向器，使用者就可通過轉(zhuǎn)向器，實(shí)現(xiàn)對(duì)方向的控制。

二、兩輪載人自平衡車姿態(tài)測(cè)量

在對(duì)兩輪載人自平衡車姿態(tài)的設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)其傾斜角度的進(jìn)行測(cè)量，從而有效降低自平衡車制作成本，以達(dá)到保證兩輪載人自平衡車的平衡。

（一）傾斜角測(cè)量單元硬件設(shè)計(jì)

通常，在對(duì)兩輪載人自平衡車姿態(tài)測(cè)量單元硬件的設(shè)計(jì)過程中，主要是選擇六軸慣性傳感器MPU6050進(jìn)行的，這種傳感器有效避免了陀螺儀與加速計(jì)的軸間差距問題。

六軸慣性傳感器MPU6050的內(nèi)部具有截止頻率可變的硬件低通濾波器、FIFO緩存隊(duì)列、數(shù)字運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器等輔助功能，具有很強(qiáng)的自校準(zhǔn)及自我檢測(cè)的能力。在對(duì)自平衡車的傾斜角測(cè)量單元硬件設(shè)計(jì)過程中，可以通過400Kb/s的I2C總線接口和控制器交換數(shù)據(jù)，從而有效滿足各種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)合的需求。

（二）傾斜角測(cè)量單元濾波器設(shè)計(jì)

通常，在對(duì)兩輪載人自平衡車傾斜角測(cè)量單元濾波器設(shè)計(jì)的過程中，主要是通過以下幾種方法進(jìn)行的。

1.基于四元數(shù)的陀螺儀定姿算法

基于四元數(shù)的陀螺儀定姿算法，具有旋轉(zhuǎn)速度快、精度高、無奇異點(diǎn)等特點(diǎn)，其主要計(jì)算方法為：

在式（1）中， 為陀螺儀輸出時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度構(gòu)成的載體坐標(biāo)系下的四元數(shù)向量，且 為上一次四元數(shù)向量， 則表示四元數(shù)交叉乘運(yùn)算。在計(jì)算的過程中，主要是通過對(duì)（1）式將載體坐標(biāo)系的角度蘇轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系下，之后再對(duì) 的積分實(shí)現(xiàn)絕對(duì)坐標(biāo)系下姿態(tài)四元數(shù)的更新。離散后的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

在（3）式中，將i取值為1、2、3、4，△t則為系統(tǒng)采樣周期。根據(jù)更新后的四元數(shù)，可獲得對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，從而得出四元數(shù)表示的車體傾斜角。

2.加速度計(jì)定姿方法

三軸加速度計(jì)可直接輸出載體坐標(biāo)系下的三個(gè)軸向的角速度分量，根據(jù)這三個(gè)角速度分量便可直接獲得橫滾角和俯仰角θ，且

在對(duì)加速度計(jì)定姿計(jì)算過程中，由于加速度計(jì)容易受到高頻干擾信號(hào)、以及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的影響，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)角度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤差，對(duì)自平衡車運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)角度測(cè)量非常不適合。

3.自適應(yīng)顯性互補(bǔ)濾波器設(shè)計(jì)

在對(duì)兩輪載人自平衡車傾斜角進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，陀螺儀輸出的角速度直接進(jìn)行積分便可得到姿態(tài)角，而姿態(tài)角具有很好的動(dòng)態(tài)性能，可以為相關(guān)的研究者提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化。另外，在計(jì)算的過程中，由于受到積分漂移和低頻噪聲的影響，非常不適合長(zhǎng)時(shí)間的單獨(dú)工作。而加速度計(jì)則具有良好的靜態(tài)性能，可以為兩輪載人自平衡車傾斜角測(cè)量研究過程中，提供出比較準(zhǔn)確的靜態(tài)角度值，但是在計(jì)算的過程中經(jīng)常會(huì)受到高頻干擾的影響，使得疊加系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的加速度增大，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)測(cè)量的誤差增大。

在對(duì)自適應(yīng)顯性互補(bǔ)濾波器設(shè)計(jì)的過程中，可以將加速度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)與上次估計(jì)值之間的誤差按照比例積分低通濾波，對(duì)加速度計(jì)的高頻干擾能夠進(jìn)行有效的濾除。然后在對(duì)濾波后的加速度計(jì)測(cè)量誤差對(duì)陀螺儀測(cè)量的角速度進(jìn)行補(bǔ)償和修正，從而將陀螺儀的積分漂移等低頻干擾進(jìn)行有效的濾除；最后，再采用積分求得新的最優(yōu)姿態(tài)四元數(shù)。這樣一來，就可以獲得較好的濾波效果。

結(jié)束語

綜上所述，兩輪載人自平衡車作為一種代步工作，具有使用簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)用靈活的特點(diǎn)。在使用的過程中，兩輪載人平衡車的速度可以通過平衡車的傾角大小進(jìn)行調(diào)整。這就要求在使用的過程中，通過四元數(shù)的陀螺儀定姿算法、加速度計(jì)定姿方法、以及對(duì)自適應(yīng)顯性互補(bǔ)濾波器設(shè)計(jì)等方式，有效提升自平衡車在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

張艷萍（1983.6），女，山東濟(jì)南，漢族，研究生，齊魯理工學(xué)院，副教授，智能控制

蘇敏（1983.2），女，遼寧沈陽，漢族，碩士研究生，齊魯理工學(xué)院，副教授，檢測(cè)技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化

*課題名稱：關(guān)于雙輪載人自平衡車控制系統(tǒng)的研究編號(hào)：07qlk009endprint