单轴双轮自平衡代步车的.研究与设计

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1、!苎丝皇鲨翌塑墅!丝芏!曼墨!竺堕!堂1绪论11课题背景近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。单轴双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的，进而增添载人功能就出现了双轮共轴自平衡代步车的概念。12研究现状近年来．国内外多家科研单位和企业以及自平衡代步车的爱好者都对自平衡理论的发展做出了许多的有益的贡献．太大推进了自平衡技术的发展，同时也出现了一批有代表性的自平衡机器人和

2、载人代步车作品。2002年，美国kgo公司的SteveHassenplug砒["q"如图11所示的两轮自平衡传感式机器人Lcgway。这个设计引入了电机的差动驱动方式，它可以工作在倾斜面甚至不规则表面上，可遥控操作。通过对电动机进行遥控，Legway可以在前行，后退和转弯时保持平衡，可以实现零半径转弯和u型回转忆幽11Legway圈12NXTway21307年，日本早稻田大q啪RyoWatanabe在Legway的启发下设计制作了NXTway，如图1．2所示。2002年，三洋电机展示了可依靠上体倒立来保持平衡的双轮行走机器人“FLATHRU”，如图13

3、所示，大小为602x463x564mm，重20kg。移动速度方面，平地行走时最大30cm／S，可搬运重量最大为10kg，运行时间约为1小时。车轮中嵌有一个输出功率为90w的直流电动机，头部则嵌入了两个相同的电动机。为了检测上体的平衡情况，使用了3个陀螺仪和1个3轴加速度传感器。苎苎墅苎星型型兰墨墅!墅!堑!!￡墅E型图13日本三洋电机的双轮行走机器人深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车，如图14所示，大小为260mmx450mmx730mm，使用85W减速比10：1的直流伺服电机，最大移动速度1_6m／s，24v镍氢电池供电，电源持续工作时长大于

4、1．5小时，最大爬坡角度20度。◇一圈14深圳固高科技教学用自平衡小车2002年，美国Segway公司开发了世界上第一部能够自平衡的两轮电动车，时速高达20km／h，如图1．5所示。该电动车把人们从传统的“三点平衡”和以低重心、大而稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来．通过检测车体的角度和角速度，用适当的回复转矩来避免倾斜摔倒。Segway使用的是航空级陀螺仪、一组倾斜传感器、一套复杂的“直觉软件”、一个加速度计、十个微处理器、两个镍氢电池组、一台电动机和每秒检测一百多次驾驶者重心的传感器。Scgway共有五个陀螺仪传感器，其中三个来检测前、后和左右

5、方向的倾斜，另外两个传感器作为冗余，以增加安全性。传感器收集的信息被传送到主控芯片，它由两个电子控制器电路板构成。电路板包括一个微处理器的集群(德州仪器的DSP芯片)。这种集群的运算效率是普通PC的三倍，以保证车身能得到及时而高度精确的微调来防止倾倒。如果一个电路板出了毛病，另一个会立即接管所有的功能，以便让驾驶者能够安全地停下。在最高层次，主控芯片运行“直觉软件”控制Segway，软件会实时分析所有信息，调整电动机的速度。汹单艟&轮自平艟代毒车的研究s设#

6、czhns2009玉圈16麻省理工学院学生的DIYSegway以上是国内外两轮自平衡机器人和自

7、平衡代步车的研究现状。这些机器人和代步车对本课题的研究提供了很好的指导作用．为下面的研究工作提供了很好的参考。1．3本文的研究内容本文的主要研究内容包括：1)传感器数据融台：采用一种简易互补滤波算法，将加速度计和陀螺仪检测到的车体姿态信息进行数据融合，得到可靠的倾角及变化率信息；2)电机控制算法研究：对PID控制方法进行详细的研究和介绍，把变积分PD控制方法应用在自平衡车系统中，并检验控制方法的有效性。3)惯性传感器的应用：对系统中用到的惯性元件(陀螺仪和加速度计)及其使用方法进行详细的介绍和研究；鞠单轴双轮自平筏代步车的研究s设计J．C,劢ang20

8、094)电机驱动器和系统控制器设计：设计制作出适合单轴双轮自平衡小车的无刷电机驱动器，设计制作系统控制器用以控制传感器检测车体姿态，通过状态反馈控制，PID控制等算法，驱动无刷电机使代步车实现动态自平衡；5)系统软件设计与实验研究：编制适合自平衡系统的控制软件，通过单轴双轮自平衡代步车样机实际测试，检验相应算法的有效性，不断改进算法。4单轴双轮a平衡代步车的研究与设计J．C．Zhang20092传感器数据融合与PID控制技术2．1传感器数据处理方法为进行实时控制，代步车系统控制器必须对工作环境和任务有足够的了解，这样就离不开相应的传感器。机器人姿态检测

9、系统中通常使用的传感器为惯性传感器，代步车系统用到的惯性传感器有加速度计和陀螺仪，另外还要用到