全向移動(dòng)自平衡車

金棟 宋春曉 陶一文 王軫 祁奕

摘 要：針對(duì)目前市場(chǎng)上平衡車產(chǎn)品存在的運(yùn)動(dòng)性能不強(qiáng)、應(yīng)用受限等問題，文中設(shè)計(jì)了一款全向移動(dòng)平車。該平衡車具有動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)與全向移動(dòng)系統(tǒng)，以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀判斷車身的姿勢(shì)狀態(tài)，通過精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，?qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)平衡效果。設(shè)計(jì)的全向移動(dòng)自平衡車動(dòng)態(tài)性良好，占地小，移動(dòng)便捷，通過搭載不同的裝置可應(yīng)用于不同的市場(chǎng)領(lǐng)域，前景廣闊。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)平衡；全向移動(dòng)

1 作品簡(jiǎn)介

1.1 全向移動(dòng)平衡車控制系統(tǒng)——?jiǎng)討B(tài)平衡系統(tǒng)

全向移動(dòng)平衡車的四輪麥克納母輪采用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得其重心在支點(diǎn)以下，在非控制狀態(tài)下為一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)。可以利用擺鐘的擺動(dòng)原理，通過微處理器的控制使其能夠像擺鐘一樣穩(wěn)定在一個(gè)位置，并在平衡狀態(tài)下按照使用者的指令要求正常運(yùn)行。

1.2 全向移動(dòng)平衡車控制系統(tǒng)——全向移動(dòng)系統(tǒng)

由于45°麥克納母輪的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，該平衡車能夠獨(dú)立行進(jìn)，橫向運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，全方位自由移動(dòng)等。全新的結(jié)構(gòu)衍生出全新的算法，全向移動(dòng)平衡車的控制算法程序至今未有個(gè)人或組織公開聲明，因此在這方面大有可為。全向移動(dòng)平衡車如圖1所示。

2 工作原理

自平衡車的運(yùn)作主要建立在“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”基礎(chǔ)上，即依靠車輛本身的自動(dòng)平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀（MPU6050）來判斷車身的姿勢(shì)狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器（STM32單片機(jī)）計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，?qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)平衡效果，原理如圖2所示。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)由精密固態(tài)陀螺儀（MPU6050）、加速度傳感器，以及攝像頭組成，主要用來判斷車身所處的姿勢(shì)狀態(tài)。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)接收到檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的信息后，通過精密且高速的中央微處理器（STM32單片機(jī)）計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶?，?qū)動(dòng)馬達(dá)做到平衡的效果。

2.3 執(zhí)行系統(tǒng)

系統(tǒng)包括4個(gè)45°全向輪以及2個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

2.3.1 功能實(shí)現(xiàn)

（1）前進(jìn)與后退：4個(gè)（2組）麥克納姆輪速度相同，旋轉(zhuǎn)方向一致，均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。每個(gè)輪子產(chǎn)生的力分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，每個(gè)力在x，y方向的分力分別為Fnx，F(xiàn)ny，受力分析如圖3所示。每一組麥克納姆輪產(chǎn)生的軸向力Fy方向相反，因?yàn)檗D(zhuǎn)速相等，所以軸向力Fy大小相同，相互抵消，但徑向的力Fx方向相同，大小相等，實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)功能；后退的原理和前進(jìn)一樣，只是輪子的旋轉(zhuǎn)方向相反。

（2）向左平移：每個(gè)輪子轉(zhuǎn)速大小相同，1號(hào)麥克納姆輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向左的軸向力F1y和向后的徑向力F1x；2號(hào)麥克納姆輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，亦產(chǎn)生向左的軸向力F2y向前的徑向力F2x，3號(hào)麥克納姆輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向左的軸向力F3y和向后的徑向力F3x；4號(hào)麥克納姆輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，亦產(chǎn)生向左的軸向力F4y和向前的徑向力F4x。F1x和F4x產(chǎn)生一個(gè)力偶M1，F(xiàn)2x和F3x產(chǎn)生一個(gè)力偶M2，M1與M2方向相反，大小近似，M1>M2，但可通過調(diào)整2，3號(hào)輪子的轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)，使得M1=M2，由此力偶矩抵消，只剩下軸向力合力Fy，實(shí)現(xiàn)了向左行走的功能，受力分析如圖4所示。向右平移原理和向左平移一致，只是每個(gè)輪子旋轉(zhuǎn)方向相反。

（3）全向移動(dòng)：上述移動(dòng)可總結(jié)如下：

（a）軸向力合力Fy為0；

（b）徑向力Fx產(chǎn)生的力矩為0， 實(shí)現(xiàn)了直角坐標(biāo)方向的移動(dòng)，如果控制好兩個(gè)全向輪子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，理論上可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)；

（c）順時(shí)針原地轉(zhuǎn)彎：兩組輪子旋轉(zhuǎn)方向不同，但旋轉(zhuǎn)速度一樣，由受力分析可知，由于軸向力Fy合力為0，可完全抵消，而左邊F1x和F2x與右邊F3x和F4x形成了一組力偶，由此實(shí)現(xiàn)了平衡車的原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。逆時(shí)針原地轉(zhuǎn)彎與順時(shí)針原地轉(zhuǎn)彎原理相似。

（d）繞軸旋轉(zhuǎn)：當(dāng)兩組輪子旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)速度均不同時(shí)，其軸向力Fy合力為0，完全抵消，左邊F1x和F2x與右邊F3x和F4x形成兩個(gè)組力矩，大小不一，因此將會(huì)繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)受力分析如圖5所示，繞軸旋轉(zhuǎn)受力分析如圖6所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用麥克納姆輪可實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。

（2）四輪安裝采用一字線分布，空間占有量與橫截面大大減小，在空間要求高的環(huán)境下（比如艦艇）相比同類產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)突出。此外，通過某些空間狹小的環(huán)境（比如過道）時(shí)不再受運(yùn)載平臺(tái)尺寸的限制。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，麥克納姆輪與平衡車原理有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生出新的結(jié)構(gòu)，在彌補(bǔ)各自不足的同時(shí)又保留了各自的優(yōu)點(diǎn)。

（4）控制算法創(chuàng)新，在原有平衡車控制算法的基礎(chǔ)上衍生出了一套控制二維正交運(yùn)動(dòng)的平衡算法（目前尚未發(fā)現(xiàn)任何組織或個(gè)人對(duì)此公開聲明）。

4 市場(chǎng)前景

目前市場(chǎng)上的平衡車產(chǎn)品都利用普通輪子，通過控制兩輪的速度實(shí)現(xiàn)自平衡以及移動(dòng)。移動(dòng)方式分為直立、前進(jìn)后退和偏航，這種平衡車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制實(shí)現(xiàn)較容易，但靈活性不高，運(yùn)動(dòng)性能不強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)全方位的快速自由移動(dòng)。而全向移動(dòng)車在結(jié)構(gòu)上雖采用了麥克納姆輪，可實(shí)現(xiàn)全方位自由移動(dòng)，但受四輪結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)器占用空間較大，不利于存放與使用，同時(shí)，該平衡車無法在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由工作，應(yīng)用范圍具有較大的局限性。

鑒于以上兩者的局限性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種不同于以上兩者的既能實(shí)現(xiàn)全方位自由移動(dòng)，又可在狹小特殊環(huán)境中正常工作的新型自平衡車平臺(tái)。

全向自平衡車是一個(gè)不穩(wěn)定性系統(tǒng)，但其動(dòng)態(tài)性良好，且其占地小，移動(dòng)便捷，利用這些特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)諸多功能，應(yīng)用范圍較廣泛。該系統(tǒng)可作為一種交通工具；可作為便攜醫(yī)療設(shè)備；可在空間狹小的特殊環(huán)境中進(jìn)行勘探檢測(cè)等任務(wù)。最重要的是，它是一種全新的開發(fā)平臺(tái)，通過搭載不同的裝置可應(yīng)用于不同的市場(chǎng)領(lǐng)域，前景廣闊。