二輪自平衡小車原理

摘要：近些年來，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，智能化也越來越成為生活中必不可少的生活條件因素，伴隨著智能移動機器人的剛性需求與相關(guān)領(lǐng)域研究不斷深入，已成為新興科學(xué)技術(shù)的寵兒，以及應(yīng)用研究領(lǐng)域最活躍和最產(chǎn)業(yè)化的科研研究領(lǐng)域之一，正因如此移動機器人越來越廣泛的被應(yīng)用在各種生產(chǎn)生活范圍中。

關(guān)鍵詞：智能化；平衡；控制系統(tǒng)

二輪自平衡小車的概念就是在這樣一個需求背景下應(yīng)運而出的科技產(chǎn)物，這種機器車區(qū)別于其他移動機器車的最明顯突出的特點就是：小車采用了二輪共軸、各自擁有獨立驅(qū)動的工作方式，小車自平衡可以借助輪子的前后轉(zhuǎn)動來保持車身的自身姿態(tài)的平衡狀態(tài)，因此來保證小車重心的穩(wěn)定和平衡。

二輪自平衡小車的控制系統(tǒng)分為硬件電路系統(tǒng)和軟件設(shè)計系統(tǒng)兩種，控制對象就是自平衡小車的兩個獨立的驅(qū)動電機，由分析系統(tǒng)要求我們可知，之所以控制輸出量是轉(zhuǎn)速采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析很重要，數(shù)據(jù)分別來自于兩個獨立直流電機驅(qū)動車輪的，維持小車直立狀態(tài)和運動過程中的動力都來自于小車的兩個獨立驅(qū)動的車輪，隨之控制平衡小車達到各種運動狀態(tài)的效果，來使自平衡小車保持直立平衡的姿態(tài)。

平衡小車的狀態(tài)控制可以被分成以下三個部分：

1.二輪自平衡小車的平衡控制：

借助姿態(tài)檢測儀獲得的小車傾角為輸入量，通過直流電機對車輪的正反轉(zhuǎn)和加速度控制從而達到小車的直立平衡狀態(tài)。

2.二輪自平衡小車的速度控制：

在小車處于非平衡狀態(tài)的時候，通過單片機（STM32C8T6系列）調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速而達到控制小車速度的理想效果，并且在速度控制的過程中形成有效的負反饋環(huán)，從而保持二輪自平衡小車的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.二輪自平衡小車的方向控制：

對于二輪小車方向的控制，即是對小車車輪轉(zhuǎn)速的控制，通過控制車輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動差速來實現(xiàn)兩個車輪的轉(zhuǎn)向，從而來達到左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的效果。也可以只控制其中一個車輪的轉(zhuǎn)動，另一個車輪不轉(zhuǎn)動因此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的效果，這種方法可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)彎角度的控制，使其轉(zhuǎn)過固定的角度。

關(guān)于二輪自平衡小車平衡系統(tǒng)的設(shè)計，我們所希望達到的效果最終都是在同一個控制對象（小車的電機）進行基礎(chǔ)控制，例如小車的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和各種控制變量，這就要三個子系統(tǒng)能夠各自獨立進行有效地控制，一種被叫做耦合關(guān)系的特殊結(jié)合系統(tǒng)控制。其電機是同軸相連的，但是電機卻又可以分別實現(xiàn)保持小車直立姿態(tài)，實現(xiàn)小車左右方向的轉(zhuǎn)動效果。然而二輪自平衡小車左右轉(zhuǎn)動是必須在小車保持直立狀態(tài)前提下實現(xiàn)的，就是小車保持平衡的情況下使自平衡小車實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)動。二輪自平衡小車速度的控制完全是取決于自平衡小車車身的傾斜程度的大小。傾斜程度會給小車帶來加速和減速兩種不同的的平衡效果，所以小車自平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求，也是整個控制系統(tǒng)的重點攻關(guān)的任務(wù)。

如圖2-1平衡小車示意圖所示，當(dāng)小車車體垂直的時候，車輪是靜止的；當(dāng)小車向前運動的時候，車身向后仰，而電機需要糾正后仰，即使得小車車輪向后產(chǎn)生一個加速度，也能使小車向后運動，把二輪自平衡小車的偏離角度作為偏差，通過負反饋讓這個產(chǎn)生的偏差接近于零，好比小車哪邊傾斜角度過大，則平衡小車需要通過獨立直流電機和控制系統(tǒng)隨之往相對應(yīng)的那個方向運動，目的是達到消除傾斜狀態(tài)，從而來保持直立的姿態(tài)的效果。

二輪自平衡小車的系統(tǒng)是一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)，所以需要及時實時檢測自身傾角，再利用STM32系統(tǒng)算法不斷調(diào)整自身角度，以實現(xiàn)動態(tài)平衡效果。然后通過三個子系統(tǒng)進行合理有效的調(diào)整，就可以實現(xiàn)動態(tài)平衡，因而對于采集小車的傾斜角度和角速度和小車的姿態(tài)檢測成為控制小車直立平衡的關(guān)鍵之中的關(guān)鍵。在MCU獲得小車車身的姿態(tài)數(shù)據(jù)之后，利用慣性元件來測量運載體本身的加速度，借助傳統(tǒng)的PID控制算法控制單片機輸出PWM波來驅(qū)動獨立的直流電機運動。在小車的運行過程中需要單片機輸出的PWM控制電機的轉(zhuǎn)速控制，通過無線遙控裝置人為的對單片機下達指令，調(diào)節(jié)獨立電機的運轉(zhuǎn)速度和正反轉(zhuǎn)而達到對小車運行狀態(tài)系統(tǒng)的控制效果。

利用MPU_6050運動處理整合器件，把陀螺儀和加速度計集合到一起，使用時用了16位的ADC，并且內(nèi)部自帶了DMP功能，使得效率上也得到了很大的提高，相對而言，成本較低。將傳感器測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可以精確使用的數(shù)字量陀螺儀可測范圍：±250，±500，±1000，±2000。加速度計可測范圍：±2，±4，±8，±16。為了實現(xiàn)用戶的需求，可設(shè)置為精確快速和慢速跟蹤。片上 1024 字節(jié)的 FIFO，有助于減少系統(tǒng)功耗。

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作者簡介：潘井華（1986.08-），男，漢族，內(nèi)蒙赤峰人，科員，黨員，助理工程師，學(xué)士，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修工作。

（作者單位：淄博萬杰腫瘤醫(yī)院設(shè)備科）