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（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212000）

兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),它實(shí)際上是一個(gè)可以行走的一級(jí)倒立擺。兩輪自平衡機(jī)器人由于為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)學(xué)方程不能完整地描述系統(tǒng)的行為,并且此時(shí)系統(tǒng)為不可控,要解決兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)的平衡問題就必須考慮動(dòng)力學(xué)對(duì)它的影響。

西安電子科技大學(xué)研究出了自平衡兩輪小車，它是由一種兩輪式左右并行布置機(jī)構(gòu)的自平衡系統(tǒng)。他選擇兩個(gè)Maxson電機(jī)作為執(zhí)行元件，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器對(duì)小車這一非線性對(duì)象進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。

Arduino目前主要運(yùn)用于飛行控制方面，我們閱讀其內(nèi)部封裝的程序語(yǔ)言，并在理解的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)用，將其移植在二輪自平衡小車上。利用MATLAB進(jìn)行仿真，為其實(shí)現(xiàn)具體功能進(jìn)行控制方面的建模，運(yùn)用自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器以及控制參數(shù)的整定。

本文所述小車運(yùn)用Arduino平臺(tái)對(duì)二輪平衡車實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制，以實(shí)現(xiàn)二輪小車的自動(dòng)平衡功能，并在此基礎(chǔ)上增加障礙避讓，定點(diǎn)定航等功能，開發(fā)出基于Arduino平臺(tái)的二輪平衡排爆車。

對(duì)于小車控制器的原理，我們運(yùn)用的方法是控制系統(tǒng)反饋狀態(tài)為小車的傾角、角速率、位移和輪速，四個(gè)量的檢算則是由陀螺儀和、速度計(jì)和電機(jī)編碼器完成。在此系統(tǒng)中，由輸入矩陣和狀態(tài)矩陣，施加給被控對(duì)象的力矩根據(jù)在控制程序中將力矩轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，即PWM值。

利用四個(gè)狀態(tài)量組成負(fù)反饋，記反饋增益為K，在下文計(jì)算得出。

為了對(duì)理論的出的結(jié)論進(jìn)行更好的仿真，我們借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算，利用極點(diǎn)配置方法計(jì)算反饋增益，同時(shí)通過Simulink仿真的方式比較不同極點(diǎn)下，小車的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以此為小車選擇相對(duì)較優(yōu)的平衡參數(shù)。

采用極點(diǎn)配置法， 取期望極點(diǎn)為 P1=（-9+18×j-9-18×j-10-20），利用 MATLAB 中的 place、acker等函數(shù)，計(jì)算得出 K=acker（A，B，P）=（）。帶入Simulink中可得如圖仿真結(jié)果，結(jié)果如圖。

通過MATLAB仿真，我們可以看出：靠近原點(diǎn)的極點(diǎn)，K值小，曲線收斂速度慢，小車的動(dòng)態(tài)性能不足，但是波動(dòng)較小，產(chǎn)生超調(diào)量較小，不會(huì)引起小車的不穩(wěn)定。

目前二輪平衡車僅用于載人代步工具，我們的項(xiàng)目是一種對(duì)二輪平衡小車新的開發(fā)方向，為后期的新思路，新創(chuàng)意積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。特別是將二輪平衡小車用于排爆，其具有占地面積小，高度可調(diào)節(jié)，適用性好，成本低，安全可靠，再開發(fā)潛力大等特點(diǎn)，靈活機(jī)動(dòng)，可以做不同動(dòng)作，適應(yīng)于排爆時(shí)的復(fù)雜條件，具有非常巨大的實(shí)用價(jià)值。

［1］楊繼志,郭敬.Arduino的互動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012,4.

［2］蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012(16).

［3］K.C.Chang and O.Khatib.Operational space dynamics:E?cient algorithms for mod-eling and control of branching mechanisms[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.April 2000.