單軸雙輪自平衡代步車的研究與設(shè)計

本課題旨在研制一種單軸雙輪自平衡代步車。該系統(tǒng)是一種兩輪左右平行布置的單人電動車，像傳統(tǒng)的倒立擺一樣，本身是一個自然不穩(wěn)定體，必須：沲加強有力的控制手段才能使之穩(wěn)定。由于它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走有很大的相似性，因而對其進行研究具有重要的理論和實踐意義。自平衡代步車由踏板、車把和兩個平行的輪子組成，除了開關(guān)按鈕，沒有任何加速、減速和剎車控制裝置。內(nèi)置了輪轂電機的車輪平行地安裝在踏板兩側(cè)，電源和驅(qū)動控制電路安裝在踏板下方。系統(tǒng)以姿態(tài)傳感器(陀螺儀、加速度計)來監(jiān)測車身所處的俯仰狀態(tài)和狀態(tài)變化率，通過高速中央處理器計算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和指令后，驅(qū)動電動機產(chǎn)生前進或后退的加速度來達到車體前后平衡的效果。駕駛者只需身體往前傾或后傾，代步車就會根據(jù)俯仰的方向前進或后退，而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。車體的轉(zhuǎn)彎通過車把的左右傾斜角度來控制，不同的傾斜角度對應(yīng)電機不同的速度差。原則上，只要打開電源且能保持足夠運作的電力，車上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M行平衡的滑板車等交通工具大大不同。該系統(tǒng)靈活性強且結(jié)構(gòu)簡單、操作容易，可作為大眾在多種場合的代步工具。對于姿態(tài)檢測系統(tǒng)而言，單獨使用陀螺儀或者加速度計，都不能提供有效而可靠的信息來保證車體的平衡。本文采用一種簡易互補濾波方法來融合陀螺儀和加速度計的輸出信號，補償陀螺儀的漂移誤差和加速度計的動態(tài)誤差，得到一個更優(yōu)的傾角近似值?？刂萍夹g(shù)是運動控制的核心，在實際生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最普遍的是各種以PID為代表的基本控制技術(shù)。按照偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。本文對系統(tǒng)用到的PID控制技術(shù)做了相應(yīng)的研究，從理論上分析了變積分的PID控制技術(shù)的優(yōu)勢，并在系統(tǒng)的實際測試中獲得了良好的效果。