两轮自平衡机器人项目验收总结报告

两轮自平衡机器人 项目验收总结报告

一、项目实施工作概况总结

1.1概述

两轮自平衡电动车是动态平衡机器人的一种，其运作原理主要是建立在“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪和加速度计来判断车身所处的姿势状态，然后单片机据此发出合适指令,驱动电机以抵消小车倾斜的扭矩,使小车不断获得平衡。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。美国已经有一种载人两轮自平衡车上市,以“赛格威“这个品牌为大众所知。由于两轮自平衡车有异于四轮布局小车的独特优点，因此具有广泛的应用前景。

1.2 整车设计思路

图1.1 小车整体模块组成

图1.2 小车实物

二、项目主要技术特征和创新点

Freescal单片机选用MC9S12XS128作为系统的控制核心。它负责接收陀螺仪+加速度融合出来的数据、赛道信息、小车速度等信息，并对这些信息进行相应处理，得到合适的控制量来对电机进行控制。

电源模块使用LM2940系列稳压芯片，辅以电容、电感滤波，为其他模块提供稳定的电源输出。

陀螺仪+加速度模块通过陀螺仪和加速度计分别感应小车当前的角速度和加速度，然后通过运放硬件积分来求出小车的偏离角速度和角度。

线性CCD模块用于路径识别，其功能是获取前方道路的信息，以供S12作进一步分析处理。

速度检测模块使用光电式脉冲编码器检测电机的输出速度，实现速度的负反馈，以通过PID算法实现小车的自动调节。

电机驱动模块根据主控芯片的需求，实时控制电机的输出速度和扭矩，让车体不断保持平衡，并能够根据已经识别的赛道电磁信息而稳定前进。在主控的控制下，实现小车的加速、减速、前进、后退、转弯等各项操作（脉冲宽度调制PWM）。

2.1 动态平衡原理

根据我们的日常生活经验，可以得出动态平衡的原理如图2.1所示

图2.1 动态平衡原理

那么车轮如何运行，才能够最终保持车体平衡稳定？为了回答这个问题，可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型，设计反馈控制来保证车模的平衡。

重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。如图2.2所示。

图2.2 车模简化成倒立的单摆 图2.3 普通单摆受力分析

对普通的单摆受力分析如图2.5所示。在偏移角度很小的情况下，回复力与偏移的角度之间大小成正比，方向相反。在此回复力作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。

总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个： （1） 受到与位移（角度）相反的恢复力；

（2） 受到与运动速度（角速度）相反的阻尼力。

如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动。阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位置时间加长。因而存在一个临界阻尼系数，使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。

如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样，稳定在垂直位置呢？要达到这一目的的办法是：增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行。控制倒立摆底部车轮，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系，以车轮作为坐标原点）分析倒立摆受力，它就会受到额外的惯性力，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。这样倒立摆所受到的回复力为：

F?mgsin?-maco?s?mg?-mk1?（2-1）

式中，由于θ很小，所以进行了线性化。假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比，比例为k1。如果比例k1?g，（g是重力加速度）那么回复力的方向便与位移方向相反了。 此外，为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力。虽然存在着空气和摩擦力等阻尼力，相对阻尼力比较小。因此需要另外增加控制阻尼力。增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可变为

'F?mg?-mk?-mk?12 （2-2）

按照上面的控制方法，可把倒立摆模型变为单摆模型，能够稳定在垂直位置。

因此，可得控制车轮加速度的控制算法

'a?k??k?12 （2-3）

式中，θ为车模倾角；?为角速度；k1、k2均为比例系数；两项相加后作为

'车轮加速度的控制量。只要保证在k1?g、k2?0条件下，可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。其中有两个控制参数k1、k2，决定了车模是否能够稳定到

k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，垂直平衡位置，它必须大于重力加速度；选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。

2.2 车模角度和角速度的测量

在上一节中介绍了控制车模直立控制算法，通过测量车模的倾角和倾角速度

控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。因此，车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模直立的关键。测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪实现。

似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产

生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角。 由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。 那么如何正确获取小车的实时角速度和角速度呢？一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对陀螺仪进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。具体电路图如图2.4所示

图2.4 陀螺仪+加速度模块电路原理图

在图2.4中，采用了两种电路图的模式，这样可以增加电路的冗余。这样的好处是，当电路模块损坏时，可以迅速切换到另一电路中，增强电路的适应性。

通过对角速度信号进行积分便可以得到车模的角度。为了抑制角速度信号的漂移以及积分电路的漂移，需要根据加速度传感器给出的Z轴信号进行角度信号矫正。该电路包括角度积分以及重力加速度补偿电路两部分。调节电位器R15大小可以改变角速度的比例系数。R15越大，角速度比例值越小；R15越小，角速度比例值越大。通过调节R15使得角度输出可以很好的跟踪加速度传感器Z轴信号输出。R15值过大，对应加速度计的比例小，角度输出跟踪Z轴输出比较慢。如果R15值过小，对应加速度计比例大，输出角度出现过冲。通过调整P1到合适的值时，可以获得输出角度跟踪速度快而没有过冲，角度输出便可以和Z轴输出保持一致，同时信号非常平滑。由于只是用了一个运放，因此电路的角度和角速度的输出极性相反，因此在单片机软件处理的时候需要通过软件改变角速度的极性。

该电路可以输出车模的角度和角速度取值。通过硬件实现角度信号处理处理，可以简化程序编写和调试，提高软件的可靠性，加快车模初学者制作过程。所以这部分电路适合车模初学者使用。

下图显示了当R15取到合适的值时对应电路角度输出跟踪Z轴信号的情况。

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