縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)控制機(jī)理研究

林 放

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門(mén) 529030）

引言

本文研究的縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)屬于機(jī)器人研究領(lǐng)域，它的最大缺陷就是難以控制。該控制機(jī)理的主要模型是倒立擺模型，這種模型是一個(gè)極其不穩(wěn)定的系統(tǒng)，該模型在研究控制機(jī)理方面是一個(gè)不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)該種模型的控制機(jī)理的研究，可以將其應(yīng)用在人工智能、機(jī)器人操控、航空系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域，該項(xiàng)研究的應(yīng)用前景開(kāi)闊。近代以來(lái)，世界上的許多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了或多或少的研究。所以，針對(duì)縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)控制機(jī)理的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析研究是十分有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的，同時(shí)還具備一定的理論基礎(chǔ)。

1 自平衡電動(dòng)車(chē)國(guó)內(nèi)外研究概況

國(guó)外從事自平衡電動(dòng)車(chē)的相關(guān)研究要比國(guó)內(nèi)早，始于20 世紀(jì)80 年代末，在東京電信大學(xué)研究自動(dòng)化相關(guān)方面的教授說(shuō)出了一種通過(guò)智能控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自平衡車(chē)操控的設(shè)計(jì)理念，并且在20 世紀(jì)90 年代成功申請(qǐng)了項(xiàng)目專(zhuān)利。隨著自平衡技術(shù)的不斷向前推進(jìn)，世界上從事相關(guān)行業(yè)的研究專(zhuān)家以及學(xué)者在最近的幾十年間都取得了一定的研究成果。

在21 世紀(jì)初，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的屠武勇、張培仁等人發(fā)明了一種電動(dòng)車(chē)（見(jiàn)圖1），它是一種電動(dòng)汽車(chē)，兩個(gè)輪子布置在人體的腳下，具有自平衡控制系統(tǒng)。這種代步車(chē)的處理器采用的是DSP 微處理器，中央控制器采用TMS 控制器;車(chē)身的動(dòng)力源為鉛酸蓄電池，采用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)兩輪。在同一年間，河南科技大學(xué)的研究人員也研制出了一種兩輪式自平衡電動(dòng)車(chē)的模型。在之后的幾年內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)也進(jìn)行了自平衡式兩輪電動(dòng)車(chē)相關(guān)方面的研究。以上兩種情況的電動(dòng)車(chē)都實(shí)現(xiàn)了自平衡的功能。

圖1 電動(dòng)車(chē)模型

在21 世紀(jì)10 年代初，美國(guó)某公司總裁和他的科研團(tuán)隊(duì)一同研究建立了C-1 自平衡電動(dòng)車(chē)，這種電動(dòng)車(chē)的獨(dú)特之處在于它是首個(gè)采用陀螺儀穩(wěn)定器來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的自平衡功能的；與此同時(shí)，這種車(chē)還具有回收動(dòng)力能源的系統(tǒng)，它儲(chǔ)存能源的原理就是采用飛輪動(dòng)力學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，并且這些飛輪的作用不僅僅是能夠儲(chǔ)存動(dòng)能，還可以增加其平衡結(jié)構(gòu)，使車(chē)身無(wú)論在什么情況下都不會(huì)翻車(chē)，這是由于車(chē)身自帶的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)外界環(huán)境的變化來(lái)改變其車(chē)身傾斜度，以達(dá)到使之穩(wěn)定的局面。

綜上，本文研究的出發(fā)點(diǎn)就是以上述美國(guó)公司的C-1 電動(dòng)車(chē)為研究模型，發(fā)現(xiàn)國(guó)外在自平衡電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)，分析它的運(yùn)行機(jī)理和控制方法，從而可以通過(guò)研究逐步完善國(guó)內(nèi)的自平衡電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域卡脖子的技術(shù)問(wèn)題。

2 研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容、技術(shù)路線(xiàn)

2.1 研究?jī)?nèi)容

本文研究的縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)控制機(jī)理說(shuō)到底就是獨(dú)輪車(chē)的平衡控制問(wèn)題，主要的研究對(duì)象就是日常生活中常見(jiàn)的獨(dú)輪車(chē)側(cè)平衡裝置，由于質(zhì)量塊兒的側(cè)平衡控制性能較低，就會(huì)給系統(tǒng)造成波動(dòng)，同時(shí)水平方向的轉(zhuǎn)子不能穩(wěn)定地控制系統(tǒng)的側(cè)平衡，垂直轉(zhuǎn)子的平衡性雖好，但是對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能要求比較高。因此，綜合考慮上述因素，同時(shí)在效仿美國(guó)陀螺儀平衡機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)出一種陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺控制系統(tǒng)[1]，如下頁(yè)圖2 所示，同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性的研究工作。研究工作內(nèi)容如下：

圖2 倒立擺系統(tǒng)控制原理圖

1）倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分。這項(xiàng)工作的具體內(nèi)容是倒立擺系統(tǒng)的研制，主要的流程包含分析控制裝置穩(wěn)定的機(jī)理、設(shè)計(jì)倒立擺機(jī)構(gòu)的具體方案、機(jī)構(gòu)內(nèi)部的部件研制、電動(dòng)機(jī)的選擇以及傳動(dòng)設(shè)備的選型。

2）分析倒立擺結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)方面的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)該機(jī)構(gòu)是否合理；運(yùn)用恰當(dāng)?shù)目刂扑惴?，?yàn)證該結(jié)構(gòu)是否可控。

3）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分。硬件設(shè)計(jì)包括方案設(shè)計(jì)、傳感器選擇、控制器設(shè)計(jì)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇等[2]；軟件設(shè)計(jì)則是包含控制系統(tǒng)控制方案的整體設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)的控制、通信設(shè)備的控制以及收集相關(guān)數(shù)據(jù)等部分。

4）將用于實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)研發(fā)出來(lái)，在已經(jīng)搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上展開(kāi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理等工作；根據(jù)數(shù)據(jù)處理來(lái)得出倒立擺控制機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和控制機(jī)理。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)兩輪式自平衡電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)主要是要搞好車(chē)身的自平衡控制技術(shù)，需要對(duì)車(chē)體本身的傾角做一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量工作，與此同時(shí)車(chē)身又要保持整體平衡。針對(duì)兩輪自平衡車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的算法，此次研究將以卡爾曼濾波和數(shù)字PID 兩種控制算法為中心，本研究的難點(diǎn)在于如何編寫(xiě)自平衡電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)控制軟件，對(duì)傳感器測(cè)量的加速度和角速度信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，從而計(jì)算出小車(chē)的傾角，然后通過(guò)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)來(lái)控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，使小車(chē)能夠達(dá)到自動(dòng)平衡并且行走的效果。項(xiàng)目擬解決的技術(shù)難點(diǎn)如下：

1）設(shè)計(jì)倒立擺系統(tǒng)的控制器，包括控制器對(duì)倒立擺系統(tǒng)的位置、速度、數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)能力，對(duì)倒立擺系統(tǒng)的傾斜角能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和測(cè)試，具有良好的靈敏度和準(zhǔn)確性，控制器應(yīng)具有數(shù)據(jù)交互能力，可以實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部?jī)刹糠中盘?hào)通信的交互功能，同時(shí)具有高速數(shù)據(jù)處理能力，可以滿(mǎn)足控制器對(duì)數(shù)據(jù)交互的要求。大體的設(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體方案圖

2）電動(dòng)機(jī)和電子調(diào)速器的設(shè)計(jì)和選擇，包括電子調(diào)速器的設(shè)計(jì)、選擇陀螺電機(jī)和盤(pán)式無(wú)刷電機(jī)。根據(jù)陀螺轉(zhuǎn)子對(duì)倒立擺系統(tǒng)的平衡原理，確定DC 電機(jī)的控制方式，設(shè)計(jì)或選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。

3）平衡控制算法編程，平衡控制程序是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，包括電機(jī)控制程序、算法運(yùn)算等程序功能模塊。在平衡控制中，算法的選擇和設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的關(guān)鍵。

4）在硅微陀螺儀和加速度的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩輪自平衡電動(dòng)汽車(chē)姿態(tài)傳感系統(tǒng)，并通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而得到了高精度的車(chē)身傾角和角速度值[3]。

3 未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)

中國(guó)科學(xué)院賀作秀院士曾說(shuō)：“未來(lái)，中國(guó)城市交通將是大型公交車(chē)輛和小型電動(dòng)車(chē)的系統(tǒng)。”今天的中國(guó)，面臨著能源壓力、污染、交通擁堵等問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)和研究備受關(guān)注。并且，中國(guó)在這一領(lǐng)域的市場(chǎng)巨大，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

如今，國(guó)內(nèi)基于自平衡技術(shù)平臺(tái)的電動(dòng)個(gè)人移動(dòng)工具市場(chǎng)尚處于初始階段，現(xiàn)有產(chǎn)品多為并聯(lián)兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)，在結(jié)構(gòu)和駕駛體驗(yàn)上與傳統(tǒng)電動(dòng)摩托車(chē)有較大區(qū)別；此外，并排兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)在通過(guò)性和越障能力上比傳統(tǒng)電動(dòng)摩托車(chē)差，人們更喜歡傳統(tǒng)電動(dòng)摩托車(chē)的駕駛模式。在傳統(tǒng)電動(dòng)摩托車(chē)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種串聯(lián)式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)，停車(chē)時(shí)可以像汽車(chē)一樣在自平衡中盤(pán)旋，不需要依靠人力來(lái)平衡車(chē)輛，也可以像汽車(chē)一樣實(shí)現(xiàn)逆向行駛。因此，車(chē)輛的駕駛非常靈活方便，駕駛體驗(yàn)與汽車(chē)完全一樣，但卻有著電動(dòng)車(chē)的緊湊身材。目前全球只有美國(guó)在開(kāi)發(fā)這種自平衡電動(dòng)車(chē)的概念，并正在尋找合作伙伴將其推向市場(chǎng)。因此，縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)不僅具有微、超微電動(dòng)汽車(chē)的各種優(yōu)點(diǎn)，而且具有純電力和智能控制的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)疑將成為未來(lái)交通運(yùn)輸?shù)闹髁姟?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

縱列式兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的系統(tǒng)極其復(fù)雜，在整體的設(shè)計(jì)過(guò)程中為了便于操控，需要采用藍(lán)牙模塊。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，小車(chē)的速度、方向的信息收集工作由傳感器完成，而數(shù)據(jù)的處理工作則由PID 控制算法來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的自平衡穩(wěn)定。同時(shí)，在此次研究中為了達(dá)到穩(wěn)定控制的目的，應(yīng)用了陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，在此效應(yīng)的幫助下，小車(chē)在實(shí)現(xiàn)自平衡的同時(shí)能夠更加高效、穩(wěn)定且靈敏，并且轉(zhuǎn)子在工作時(shí)產(chǎn)生的能耗更低，應(yīng)用在實(shí)際生活中會(huì)更加有利。