两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究

２两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究

除此之外，在运动方面【３１Ｊ，由于可以对两个轮子进行独立的控制，两轮自平衡小车除了能像一般的倒立摆完成直线运动外，还可以完成按轨迹运动的特殊任务。

１．２．１国外的研究成果

在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车：

由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为ＪＯＥ的基于倒立摆的小型自平衡两轮车模型，是由ＤＳＰ芯片进行控制的。它由车架上方所附的的重物模拟实际车中的驾驶者【１５】。其外观图如图１．４所示。

图１．４ＪＯＥ机器人

研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据，用线性状态反馈控制器来控制整个系统的平衡稳定。

由美国发明家ＤｅａｎＫａｍｅｎ开发的‘ＳＥＧＷＡ＇ＹｌｉＴ’两轮个人交通工具则是一个更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。它可以承载站立在平台上的驾驶者，并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运动【划，其外观图如图１．５所示。

图１．５ＳＥＧＷＡＹＨｒ

它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来保持自身

第一章绪论３

的直立状态。小车只需其中的三个陀螺仪就可以控制整个系统的平衡，而另外的两个则是为安全可靠作为备用。

除以上两个例子外，由美国科学家ＤａｖｉｄＥＡｎｄｅｒｓｏｎｌ２１研发的两轮自平衡机器人Ｎｂｏｔ和由ＳｔｅｖｅｎＨａｓｓｅｎｐｌｕｇ研制的机器人Ｌｅｇｗａｙ也都是十分成功的例子。其外观图如图１．６所示。

图１．６Ｎｂｏｔ和Ｌｅｇｗａｙ

前者使用商用惯性传感器和电机编码器来实现系统的的平衡，而后者则使用ＬＥＧＯ（乐高）公司的迷你风暴机器人套件制作，采用光电近场测量器作为传感器，为控制器提供倾角等数据。

另外澳大利亚Ｗｅｓｔｅｒｎ大学的一名教授也于２００３年发表了他的一篇关于平衡两轮车的论文１２７ｌ，最优和极点配置等方法被用来平衡小车。

１．２．２国内的研究成果

我国在此方面的研究也取得了很大的成就：

台湾国立中央大学在２００４年利用模糊控制实现了一个两轮小车的自动平衡控制ｌＺＳｌ。

中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车，它是一种两轮式左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。在车体内嵌入式ＣＰＵ的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出ＰＷＭ信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯ｌ冽。

哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用两块Ｃｙｇｎａｌ公司推出的Ｃ８０５１单片机和人机交互的上位机作为控制核心。车体倾斜角度检测采用ＡＤ公司推出的双轴加速度传感器ＡＤＸＬ２０２及反射式红外线距离传感器。

利用ＰＷＭ技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人Ｊ．日Ｊ的数据通信采用迅通生产的ＰＴＲ２０００超小型超低功耗高速无线收发ＭＯＤＥＭ。人机交互界面采用２４０＋１２８图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，

第二章自平衡小车系统的构建７第二章自平衡小车系统的构建

参考国内外的设计，本章提出了一个新的两轮自平衡小车的构建方案，介绍了该两轮自平衡小车的驱动单元、传感器单元和计算机控制单元并设计了相应的外围电路将整个两轮自平衡小车系统硬件实现。

２．１系统的构建方案

两轮自平衡小车是由两个并行主动轮和车体构成，主动轮选用两个直流电机驱动，通过用倾角传感器和光电码盘来取回系统的状态（车体的倾角和小车的位置），然后通过计算机控制单元按照一定的控制算法来控制两个轮子的转矩来保持小车的平衡，从而完成控制的目的。

２．２驱动单元

自平衡小车由双伺服直流电机驱动，经过伞型齿轮减速直接带动车轮运动。

直流电动机采用瑞士ｍａｘｏｎｍｏｔｏｒＣｏ．１ａｄ公司生产的４Ｑ．ＤＣ伺服直流电动机ＲＥ３５，其标称功率９０Ｗ、额定电压３０Ｖ、空载转速７２２０ｒｐｍ、堵转转矩９４９ｍＮｍ、最大输入功率１７５Ｗ、机械时常数５ｍｓ、转子惯量６５．５９ｃｍ２、电机电感量为０．３４ｍＨ。减速箱采用瑞士ｍａｘｏ／／ｍｏｔｏｒＣｏ．Ｌｔｄ公司生产的ＧＰ３２Ｃ行星轮减速箱，减速比为３３：１，精确减速比为５２９／１６。数字编码器采用瑞士ｍａｘｏｎｍｏｔｏｒＣｏ．１ａｄ公司生产的ＨＥＤＬ５５（含线驱动器ＲＳ４２２），其输入的方波能被用来计算精确位置及速度。

其外观图如图２．１所示。

幽２．１ｍａｘｏｎ电机

双电机的运动控制框图见图２．２，单片机控制两个电机协同工作。由控制计算机经过计算，将控制量由Ｄ／Ａ输出到各个电机的功率放大器的输入端（给定值端）。

一々懂咽僵呵８两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究

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图２．２驱动系统控制框图

图２．２右边部分是电机的速度控制环，可以控制电机在给定的速度下运动。由控制单片机发出控制电压，然后由两台瑞士生产的４Ｑ．ＤＣ伺服直流放大器ＡＤＳ来分别担任对两个驱动轮电机的控制。ＡＤＳ是功能强大的脉宽调制型伺服放大器，用于直流永磁电机的速度控制。ＡＤＳ系列分成两种设计类型和两种性能等级。自带防护壳的模块化设计使其安装非常方便。ＡＤＳ允许四种经常使用的模式：直流测速机、数字编码器速度控制、ＩｘＲ补偿以及电流控制，可用ＤＩＰ开关来选择。ＡＤＳ具有过流、过热及短路保护功能。由于选用ＭＯＳＦＥＴ器件，使输出效率可达９５％，输入电源电压范围很宽，１２Ｖ－５０ＶＤＣ，适合各种不同供电电源。

ＡＤＳ的组成框图如图２．３所示。

图２．３直流伺服放人单元电路框图

２．３传感器单元

１．电机光电编码盘

左右轮子的状态检测采用增量式光电编码器，该编码器属于１７位高精度编码器，其分辨率为１００００线。

第二章自平衡小车系统的构建９２．倾角传感器

ＬＣＩ９０倾角传感器是ＪｅｗｅｌｌＩｎｓｔｒｙｍｅｎｔｓ公司生产的高品质惯性仪器，是一款适用较低频率场合的倾角罗盘，采用闭回路感应设计，产生一高精确度的类比输出信号。ＬＣＩ９０倾角传感器可测量角度为４－９０。之间，满量程输出±５、‘具有很好的线性度。该倾角传感器输入电压为＋１２Ｖ到－ｔ－１８Ｖ输入电流４－２５ｍＡ，输出阻抗１０００ｈｍｓ左右，使用温度范围－－５５到＋８５度。ＬＣＩ９０倾角传感器已被广泛应用到航空器、飞弹、相关飞行设备、军用、民用、船只、铁路运输等有关倾斜角度的测量和感应设备中，其外观图如图２．４所示。

图２．４ＬＣＩ９０倾角传感器

该传感器接线方法：

Ａ—传感器工作电压的正端，接入电压范围为正１２Ｖ到正１８Ｖ。

Ｂ—传感器工作电压的负端，接入电压范围为负１２Ｖ到负１８Ｖ。

Ｃ—接地端。

Ｄ一传感器输出电压，范围为负５Ｖ到正５Ｖ。

２．４计算机控制单元

主控制器采用凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ单片机【４ｌ，它是凌阳科技推出的一个１６位结构的微控制器，共有８４个引脚，封装形式为ＰＬＣＣ８４。硬件实物图如图２．５所示。

图２．５凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ单片机外观图

其内部结构图如图２．６所示。

两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究

图２．８是通过上面的硬件连接得到的两轮小车系统的实物图。

图２．８两轮自平衡小车实物幽

２，６小结

根据以前研究者的经验，我们重新设计了一种自平衡两轮小车，在本系统中，平衡车体的方法通过小车驱动轮子的加速或减速提供车体俯仰角的转矩，以完成小车的平衡控制。由于实验经费有限，相对于国外先辈们采用的高性能器件，我们选用的传感器和执行机构都是较常见的，使得控制起来难度较大，正因为如此，它很适合我们检验和比较各种控制方法。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/09yq.html