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1电动自平衡车设计调研报告姓名宋奇班级工设111学号11080101112摘要几年来，随着城市越来越拥挤，两轮自平衡车凭借着它噪音小、能源利用率高，占地面积小、操控简单、0半径转弯等优点，逐渐成为一种新型时尚的代步工具，有着广泛的应用前景。自平衡车两轮左右对称布置，利用加速度计与陀螺仪互相协作进行前后倾斜角度检测，同时利用角位移传感器进行自平衡车转向控制杆左右倾斜角度的检测，并将信息输出给单片机，通过相应的控制算法计算出车辆的控制量，用该控制量驱动电机工作，完成自平衡车前进、后退与转向等动作。驾驶者只需改变身体的重心，自平衡车就会根据俯仰的方向前进或后退，而车辆的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。自平衡车系统设计的难点在于怎么釆用成本低廉的惯性传感器进行准确的姿态检测与系统控制算法的设计。加速度计信号噪声大且易受动态加速度干扰，釆用平滑滤波去噪，可以有效去除噪声，但仍很容易受到外界加速度影响；陀螺仪很好的消除了动态加速度的影响，但是随着陀螺仪的温漂，积分出的角度会存在很大的偏差；所以单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能获得有效而可靠的信息来保证车辆的平衡，所以釆用互补滤波对陀螺仪和加速度计输出信号进行融合，可以抑制动态加速度的干扰和陀螺仪的误差，但同时输出的波形存在一定的过冲现象。通过参数调整，建立一个系统，可以有效去除过冲现象。通过以上方法，可以准确并及时的釆集到自平衡车姿态信息，为控制算法的设计奠定良好的基础。本文主要介绍了，两轮的平衡车在国内和国外的现状和发展前景。并且介绍了我制作的两轮自平衡车的电路部分，控制算法，在完成信号处理和控制算法之后，本文进行了自平衡车样车的设计，包括样车的电系统设计，包括电源部分，控制部分等，并制作PCB板，完成整车的搭建。通过样车上实验，可达到载人稳定的前进，后退和转向。3目录摘要.............................................................................................................................2引言..............................................................................................................................41绪论.............................................................................................................................51.1国内外自平衡电动车研究及发展现状...............................................................51.1.1国外的研究现状................................................................................................52运动原理........................................................................................................................83电路部分研究.................................................................................................................84能源..............................................................................................................................84.1能源性能.................................................................................................................94.2能源种类.................................................................................................................94.3依用途区分.............................................................................................................94.4电池种类.................................................................................................................95主要品牌.........................................................................................................................10总结...........................................................................................................................10参考资料..........................................................................................................................114引言两轮自平衡机器人的概念来自倒立摆系统。倒立摆系统一直以来都受到全世界控制理论和控制工程领域研究人员的关注。倒立摆系统作为受控对象是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统,，是检验各种控制理论的理想模型。在控制过程中倒立摆系统能有效地反映诸如稳定性、鲁棒性、随动性以及跟踪性等许多控制中的关键问题[25]。本文涉及到的两轮自平衡车相比一级倒立摆系统，由于其两轮分别驱动，增加了控制难度，且使用了嵌入式的数字信号处理器作为控制器，使其可以脱离实验台的导轨在普通路面上运动。反过来说，两轮自平衡车也可以称为移动式倒立摆。国内外研究学者对移动轮式倒立摆模型及对两轮行走平衡控制技术的进行了大量的研究，分别出现了Segway[26]，Quasimoro[27]，Joe[28]和Nbot[29]等机器人。最早研究这种行走机构的是日本电气通信大学的山藤和男教授，他研究两轮行走平衡控制技术，并获“平行双轮机器人”专利。近两年该项技术开始成为全球机器人控制技术的研究热点之一，美国和日本的研究机构及公司相继开始了这方面的应用研究并取得了初步成果。本文设计的电动车有其自身的优势，对于步行街、广场、公园、游乐场和大型会场等场合，机动车辆无法通行，步行又令人疲劳时，这种为人代步、行走灵活、控制方便的代步车就显示了它的优越性。由于自平衡电动车的前进、后退、转弯、速度快慢以及车体的平衡等控制均由两个驱动电机承担，所以控制难度较大。因而，就需要实时性能较好的传感器检测它的实时姿态，并把姿态数据及时的传输到主控制器，由主控制器通过PWM信号改变施加在左右车轮的电压，使车轮改变转速从而控制车体的平衡。然而，陀螺仪传感器、加速度传感器等高精度、反应快的传感器的价格贵，且占车体总成本的比例较大。所以，高精度的传感器阻碍着自平衡两轮电动车成本的降低，也就阻碍着自平衡两轮电动车这种智能车在国内的推广。所以，本文主要着眼于改用低成本的传感器、减少使用传感器的数量、测量主要控制方向的单轴传感器来降低车体的成本，考虑车体起步时需要克服的惯性力，建立了比较完善的数学模型，采用ARM嵌入式32位微处理器作为控制器核心器件并使用较合适的控制算法以达到较好的控制车辆运动的效果。最后通过样车的实验测试，验证整个系统的可行性。51绪论1.1国内外自平衡电动车研究及发展现状对平衡控制技术的研究是早在上个世纪80年代后期就已经开始了，在2001年，美国发明了一种新型交通工具“Segway”，自此，自平衡控制技术受到世界各地的广泛关注。1.1.1国外的研究现状1987年，日本电气通信大学的山藤教授在申请“平行双轮机器人”的专利中，应用了行走平衡控制技术，该机器人有两个轮子，没有平衡台，控制电路和驱动电路都安装在上部。它主要是利用轮子上的小杠杆与地面接触检测机器人的倾斜度。由于当时那个年代计算机和传感器等技术还很落后，应用前景和实用性并不乐观，所以这项行走平衡控制技术没有受到太多人的关注。Segway由美国发明家迪恩·卡门(DeanKamen)与他的DEKA研发公司团队发明设计的，它源于迪恩·卡门的DEKA团队与美国大型医疗器材生产商Johnson的子公司独立科技联合开发的自动平衡式动力座椅-iBOT。卡门经过这种专门为残障或老弱人士使用的价位高昂的动力轮椅启发，觉得用这种理念设计车的小车也可以应用于正常人使用。于是，他在2001年2月开始新的研发工作，直至12月，卡门正式公开了segway的原型车，并称它是人类史上第一辆能够自主平衡的运输工具，如图1-1所示。这种新型方便快捷的两轮交通工具迅速引起人们的关注，同时这项平衡控制技术也成为了全球机器人控制领域的研究热点。图1-1美国SegwaySegway釆用5个陀螺仪来检测姿态信息,每秒釆样率高达5000次,整车由锂电池供电,需要转向时,只需要向将车把扯动到相应的方向。Segway的行驶是靠改变驾驶者的重心位置来实现的，驾驶者只要通过改变重心来使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，它的出现在全世界引起了很大轰动，充分展示了平行双轮行走的灵活性和实用性。社会各界纷纷对此寄予厚望，认为这是一种可以改变人类运输方式的伟大创意。2002年,可以用遥控器控制的两轮自平衡机器人JOE诞生。它由瑞士联邦工业大学的费利克斯等人研制成功,如图1-2所示。机器人JOE的行驶速度达到5.4公里每小时,超过了人的行走速度。它的特点在于研发者釆用自适应模糊控制算法,控制品质较高。62002年日本三洋电机公司也对此项技术进行了进一步的研究，并开发出了双轮行走机器人“FLATHRU”，如图1-3所示，该机器人的特点是在行走过程中，可依靠上体倒立来保持平衡，即使路面凸凹不平或上、下坡也能正常移动，不会跌倒。载物时，通过头部的左右移动保持载物平台始终处于水平姿态。2002年3月，日本国际电气通信基础技术研究所(ATP),在开发的智能机器人“Robovie”上也采用了双轮平衡行走机构，Robovie具有全方位图像识别和会话功能，不仅扩大了机器人的行走范围，而且使机器人的动作更灵活、更具拟人化。2002年,丹麦著名玩具公司乐高,推出自平衡机器人玩具NXT。乐高公司为买家提供相应的硬件系统,而软件系统由买家自主开发,使得买家在搭建玩具的同时,学习到一些有关自平衡的理论知识,大大提高了自平衡机器人的普及性,如图1-4所示。2004年,两轮移动自平衡机器人Crunch诞生。它是由美国布朗大学的爱德华教授设计完成。Crunch的整体高度为30.48厘米,长度和宽度分别为25.4厘米与15.24厘米,重量大概为3.08千克。其采用两个ATMEGA32控制器作为微控制器,一个专门用来完成对姿态信息的数据处理和平衡控制