智能機(jī)器人平衡車調(diào)試技巧研究

● 引言

隨著科教興國戰(zhàn)略決策的提出、素質(zhì)教育的開展和壯心精神的提倡，教育部及社會(huì)各相關(guān)部門紛紛聯(lián)手舉辦了面向廣大中小學(xué)生，培養(yǎng)和激發(fā)他們創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的各種比賽活動(dòng)，“全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐大賽”（簡(jiǎn)稱NOC）就是其一，迄今已成功舉辦了十六屆。由于平衡移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中不可或缺的一部分，為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的更新，NOC于2018年新增了智能機(jī)器人平衡車（以下簡(jiǎn)稱平衡車）技巧挑戰(zhàn)賽。此項(xiàng)目主要是模擬未來社區(qū)的場(chǎng)景，由機(jī)器人駕駛平衡車，完成一系列社區(qū)任務(wù)，重點(diǎn)在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，提高學(xué)生的信息技術(shù)素養(yǎng)。

項(xiàng)目一出現(xiàn)就受到了廣大師生的高度關(guān)注，在專業(yè)人員的操作下，機(jī)器人能非常順利地完成各項(xiàng)任務(wù)，但對(duì)廣大師生來說，要在保證速度的前提下完成所有任務(wù)并非易事，從區(qū)賽、市賽以及全國決賽的實(shí)際比賽情況來看，平衡車的調(diào)試具有較大難度。2018年的比賽中，有50%的選手無法順利完成所有任務(wù)，能順利完成任務(wù)到達(dá)終點(diǎn)的選手在速度上卻并不理想。因此，在比賽中如何做到穩(wěn)定性和速度并存是廣大師生迫切需要攻克的調(diào)試難關(guān)。為解決這一難題，筆者對(duì)平衡車的構(gòu)成、工作原理，結(jié)構(gòu)、軟件及行駛過程中速度的調(diào)整等進(jìn)行了深入研究，并將研究結(jié)果與學(xué)校相關(guān)教師一起進(jìn)行了探討、實(shí)驗(yàn)。

● 平衡車構(gòu)成及工作原理

1.平衡車構(gòu)成

平衡車官方物理樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)械系統(tǒng)主要部件包括車輪、馬達(dá)、控制器、灰度傳感器、陀螺儀、電池、木質(zhì)人偶、基礎(chǔ)板以及各類支架輔助材料。

2.平衡車工作原理

平衡車的控制思想是基于一級(jí)倒立擺的思想。車身固定在兩輪之上，當(dāng)車身產(chǎn)生擺動(dòng)時(shí)，陀螺儀角速度傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集到車身角度變化，反饋到控制器，控制器接受信號(hào)及時(shí)做出反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向相反的方向施加力矩，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定系統(tǒng);當(dāng)平衡車前行時(shí)與重心形成一個(gè)角度差，角速度計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到角度差，傳輸給控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車身重心前移，使平衡車在前進(jìn)中保持穩(wěn)定。傾斜產(chǎn)生的角度差跟平衡車行駛的加速度成正比，實(shí)現(xiàn)了不需要?jiǎng)x車離合等裝置完成一系列動(dòng)作。

● 比賽中存在的主要問題

為了解平衡車比賽實(shí)際狀況，筆者對(duì)2018年重慶市NOC平衡車市賽和區(qū)賽進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果詳見表1、表2。

從表1和表2的調(diào)研結(jié)果來看，比賽中平衡車主要存在以下問題：①由于平衡車屬兩輪車，平衡車要在各個(gè)項(xiàng)目穩(wěn)定保持平衡存在較大難度。②傳感器安裝不合理導(dǎo)致平衡車通過障礙物或轉(zhuǎn)向時(shí)脫軌。③傳感器在不同的環(huán)境中需要大面積地調(diào)整程序參數(shù)。④平衡車結(jié)構(gòu)上不完善，重心、重力線不合理使平衡車保持自平衡的能力先天不足，無法做到速度與穩(wěn)定性并存。⑤左右電機(jī)速度存在差異，導(dǎo)致平衡車執(zhí)行指令不一致。⑥程序參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致平衡車在行駛過程中出現(xiàn)擺幅過大脫離軌道、過障礙物任務(wù)失敗、結(jié)束區(qū)無法停止3秒以上等情況。

● 問題分析及優(yōu)化方案

1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分優(yōu)化是整個(gè)硬件優(yōu)化的基礎(chǔ)，好的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠?qū)τ布娐菲鸬揭粋€(gè)很好的保護(hù)作用。我們知道，物體的重心高度與穩(wěn)定性成反比，重心越低，勢(shì)能越小，勢(shì)能的能量也就越小，所以重心降低則物體更穩(wěn)?；谶@個(gè)原理，筆者認(rèn)為應(yīng)盡量降低車身高度。平衡車的機(jī)械部分原設(shè)計(jì)采用兩層結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后將平衡車的主要部件放置于底盤附近，使車體重心低于車體幾何中心，這樣既能夠使平衡車運(yùn)行時(shí)重心更穩(wěn)，同時(shí)也能降低電機(jī)的輸出功率，有利于平衡車提高續(xù)航能力。平衡車優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行平衡車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（1）載體構(gòu)件優(yōu)化

傳統(tǒng)車的結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)板承載電池、控制器、木質(zhì)人偶，在車輪的支撐下，通過傳感器來控制行駛的路線，此結(jié)構(gòu)由于車身面積較大，重心很難控制在兩個(gè)車輪的中心位置，故而在比賽中出現(xiàn)平衡車在開始區(qū)域啟動(dòng)后無法保持車身處于靜止?fàn)顟B(tài)，在行駛過程中車身前后搖晃的情況。車身的前后搖晃會(huì)改變離地距離，導(dǎo)致傳感器捕捉的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差，當(dāng)速度提升以后轉(zhuǎn)彎脫軌幾率加大，因此很難做到在彎道處平穩(wěn)尋線，特別是在U型回路位置脫軌幾率達(dá)到60%以上。為了避免車身在行駛過程中前后搖晃幅度過大，筆者建議用如圖3所示的兩類排板代替基礎(chǔ)板作為載體組裝。

（2）傳感器安裝優(yōu)化

傳感器是平衡車最關(guān)鍵的部件之一，平衡車的行駛方向依靠傳感器捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行指引，故傳感器的安裝至關(guān)重要。優(yōu)化可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

①傳感器一共有四個(gè)，筆者將其分為兩組，第一組編號(hào)為0和3，第二組編號(hào)為1和2，需要對(duì)四個(gè)傳感器逐一進(jìn)行測(cè)試，將數(shù)據(jù)接近的分別放入這兩組中，其中第二組比第一組的作用更為顯著，故要將最為接近的兩個(gè)傳感器放在第二組里。

②盡量拉近傳感器與車軸的距離，保證發(fā)出轉(zhuǎn)彎命令時(shí)車身在彎道位置。筆者設(shè)計(jì)了采取傳感器反裝的方式，將數(shù)據(jù)連接線一端安裝在車身前方的位置，如圖4所示。

③傳感器離地間隙的大小對(duì)數(shù)據(jù)也有一定的影響，通過實(shí)驗(yàn)，最理想的距離是2厘米，距離過高檢測(cè)的數(shù)據(jù)變化不明顯，過低則在平衡車通過障礙物時(shí)容易觸地導(dǎo)致平衡車失控，比賽中出現(xiàn)過障礙物失控大部分是由于這個(gè)問題導(dǎo)致的。

④傳感器對(duì)光非常敏感，在不同的環(huán)境中傳感器在同一位置檢測(cè)到的數(shù)據(jù)有明顯的差異，為了減少光對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，可用黑色膠帶將傳感器的探頭從根部位置向上包裹三分之一的高度，減弱探頭吸收光源的能力，這樣能有效避免在不同的環(huán)境中大面積調(diào)整程序參數(shù)。

⑤中間兩個(gè)傳感器安裝太近會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎幅度過大，太遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎延遲，最合理的距離是2厘米。

2.調(diào)試優(yōu)化

（1）重心調(diào)試優(yōu)化

重力線是否在車軸的中心位置上是平衡車能否平衡的重要因素之一，當(dāng)平衡車開關(guān)打開后，如果平衡車能在原地極小幅度擺動(dòng)表示重力線位置處于車軸的中心點(diǎn)上，反之平衡車前進(jìn)或后退，則需要調(diào)整重力線位置了。如果平衡車前進(jìn)，說明車身前方偏重，將電池和控制器往車身后方挪動(dòng)，反之則往車身前方挪動(dòng)，因?yàn)殡姵睾涂刂破髂芘矂?dòng)的空間有限，當(dāng)這種方法無法達(dá)到所需目的時(shí)，可通過在車身前、后增加配重來達(dá)到調(diào)整重力線的目的。

（2）平衡干擾測(cè)試

在小車運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，外界給平衡車一個(gè)力的作用，小車在外力作用下前后搖擺。前后搖擺速度和傾角都能逐漸收斂變小，在極短時(shí)間內(nèi)平衡車能夠回到平衡位置上則表示平衡性能得到有效的保障。

（3）電機(jī)測(cè)試

平衡車左右電機(jī)速度的差異會(huì)導(dǎo)致平衡車行駛偏向，確認(rèn)電機(jī)速度是否一致有很多方法，筆者采用檢查轉(zhuǎn)彎時(shí)電機(jī)是否一致的方法來確認(rèn)：在程序中將左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)的值設(shè)置成同樣的值，將平衡車放置在第一個(gè)彎道前，按巡線開關(guān)，然后再將平衡車放置在第一個(gè)彎道后方往回行駛，按巡線開關(guān)，如果兩個(gè)相反的方向都能順利地通過彎道則表示電機(jī)的速度基本一致。

有的電機(jī)的編碼盤偶爾與電機(jī)接口或PCB底板存在輕微摩擦，如果在電池電量充足的情況下出現(xiàn)電機(jī)輸出無力，可用鑷子等尖細(xì)物品挑起或按下編碼電機(jī)的編碼盤剝離一定距離后摩擦即消除。

3.程序優(yōu)化

（1）P值的調(diào)整

P是調(diào)節(jié)小車克服外力而直立的參數(shù)，如果過大，小車會(huì)產(chǎn)生震蕩，這個(gè)值一般設(shè)置為5，如果平衡車在轉(zhuǎn)彎總巡線失敗，通過調(diào)整drift1和drift2以及速度值無效的情況下可以把P值調(diào)整至4.8或4.7。

（2）速度設(shè)置優(yōu)化

速度是比賽中很關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)，要想在比賽中脫穎而出，必須在速度上下功夫。筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速不能過快，否則會(huì)導(dǎo)致平衡車在行駛過程中擺動(dòng)幅度過大而脫離黑線，最佳的速度值是6或7;左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速一般設(shè)置為10左右;直線行駛轉(zhuǎn)速要盡量加大，這樣可以保證在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)，波浪路和勇攀高峰也需要平衡車快速?zèng)_上障礙物，如速度過低，平衡車會(huì)一直在障礙物前試探最后導(dǎo)致任務(wù)失敗，直線轉(zhuǎn)速最高可以設(shè)置到75，在75的轉(zhuǎn)速下行駛平衡車的穩(wěn)定性大幅度降低，在回路的地方很容易出現(xiàn)脫軌，要解決這個(gè)問題，需要在平衡車行駛到回路前的直線路段采取降速處理，等回路完成后再次提速。具體程序編寫如上頁圖5所示。第一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間需要根據(jù)測(cè)試平衡車實(shí)際行駛到回路前直線位置所需要的時(shí)間來設(shè)定，設(shè)置的時(shí)候盡量預(yù)留提前量，第二個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是平衡車通過U型回路以后的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的設(shè)定稍微延后一到兩秒。

比賽中有的選手前面所有任務(wù)都完成得很好，速度也非?？欤窃谄胶廛嚨竭_(dá)結(jié)束區(qū)兩輪過終點(diǎn)線時(shí)沒能在結(jié)束區(qū)停止3秒以上，這樣丟分很是可惜。正確的停止程序的寫法如上頁圖6所示，這里最重要的一點(diǎn)是前進(jìn)轉(zhuǎn)速一定要降到50以下，否則到達(dá)結(jié)束區(qū)時(shí)會(huì)因速度過快一沖而過停在結(jié)束區(qū)外。

（3）drift1和drift2的調(diào)試

筆者使用drift1來控制平衡車的前進(jìn)和左、右轉(zhuǎn)，使用drift2來控制平衡車的左、右旋轉(zhuǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)，只要平衡車的平衡性沒有問題，結(jié)構(gòu)足夠合理，那么drift1的值一般在-200至210之間直行，drift2小于或等于-190左旋轉(zhuǎn)，drift2大于或等于180右旋轉(zhuǎn)。但實(shí)際中，傳感器會(huì)存在輕微差異，在不同光線和環(huán)境的影響下每個(gè)傳感器的讀數(shù)也會(huì)有少許差異，且差異與離地距離的大小也有關(guān)系，故drift1和drift2的值沒有一個(gè)絕對(duì)固定的數(shù)據(jù)可言，要根據(jù)每個(gè)平衡車實(shí)際測(cè)試出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

● 結(jié)語

筆者通過對(duì)平衡車比賽實(shí)際狀況的調(diào)研和深入分析，采用降低平衡車重心、更換載體構(gòu)件、調(diào)整傳感器安裝等方法，較好地實(shí)現(xiàn)了平衡車在比賽中順利完成各個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)，據(jù)此優(yōu)化后的平衡車在比賽中取得了較好的成績(jī)，優(yōu)化前后成績(jī)差異明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]于乃功，李勇，阮曉鋼.基于數(shù)據(jù)融合的小型兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方法[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（02）.

[2]潘二偉.基于STM32的兩輪自平衡車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2018.

[3]張建.雙輪自平衡移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：丁熠（1975—），女，漢族，四川資陽人，中學(xué)一級(jí)教師，大學(xué)本科，主要從事中小學(xué)信息技術(shù)競(jìng)賽活動(dòng)組織培訓(xùn)工作。