单轴双轮自平衡代步车的研究与设计

【摘要】： 本课题旨在研制一种单轴双轮自平衡代步车。该系统是一种两轮左右平行布置的单人电动车,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其进行研究具有重要的理论和实践意义。 自平衡代步车由踏板、车把和两个平行的轮子组成,除了开关按钮,没有任何加速、减速和刹车控制装置。内置了轮毂电机的车轮平行地安装在踏板两侧,电源和驱动控制电路安装在踏板下方。系统以姿态传感器(陀螺仪、加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率,通过高速中央处理器计算出适当数据和指令后,驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后平衡的效果。驾驶者只需身体往前倾或后倾,代步车就会根据俯仰的方向前进或后退,而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。车体的转弯通过车把的左右倾斜角度来控制,不同的倾斜角度对应电机不同的速度差。原则上,只要打开电源且能保持足够运作的电力,车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能,这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。该系统灵活性强且结构简单、操作容易,可作为大众在多种场合的代步工具。 对于姿态检测系统而言,单独使用陀螺仪或者加速度计,都不能提供有效而可靠的信息来保证车体的平衡。本文采用一种简易互补滤波方法来融合陀螺仪和加速度计的输出信号,补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差,得到一个更优的倾角近似值。 控制技术是运动控制的核心,在实际生产实践中应用最普遍的是各种以PID为代表的基本控制技术。按照偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器,简称为PID调节器,是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。本文对系统用到的PID控制技术做了相应的研究,从理论上分析了变积分的PID控制技术的优势,并在系统的实际测试中获得了良好的效果。