侯立業(yè) 姜德財 魏強(qiáng) 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

平衡車助教系統(tǒng)分析

侯立業(yè) 姜德財 魏強(qiáng) 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

隨著自然科學(xué)的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)成為各學(xué)科的使用工具；而用來信息采集的傳感器更是前提。而在傳統(tǒng)的課堂中，學(xué)生只能從書本上看到傳感器，和實驗平臺上較老式的各類傳感器；而平衡車助教系統(tǒng)是以現(xiàn)今市場上比較流行的兩輪平衡車作為平臺，將各類學(xué)科前沿的成果、各類新式傳感器及相應(yīng)校正控制電路與平衡車系統(tǒng)加以融合，實現(xiàn)用平衡車教學(xué)、平衡車輔助、平衡車與學(xué)科前沿傳感器結(jié)合，實現(xiàn)學(xué)以致用的目的。

設(shè)計分析 卡爾曼濾波 加速度計 平衡車系統(tǒng)

平衡車系統(tǒng)，是現(xiàn)今流行的代步工具；同時也是一個典型的靜不穩(wěn)定系統(tǒng)。使用各類傳感采集技術(shù)與各類濾波算法是使其穩(wěn)定的關(guān)鍵；而這種自動控制理論的思想就與數(shù)據(jù)采集、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、微機(jī)原理等課程有很大的相關(guān)性。在課堂上使用平衡車作為實驗平臺、作為訓(xùn)練平臺來教學(xué)來把理論和實際結(jié)合是極好的。

1 助教系統(tǒng)的分析

1.1 多感官的智能傳感器的應(yīng)用

智能機(jī)器人是工業(yè)化智能化的體現(xiàn)，也是科學(xué)造福生活的例子。許多工廠、高級餐廳等已經(jīng)使用無人搬運(yùn)小車（AGV）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力。AGV機(jī)器人通過設(shè)定好的路線，做出人們設(shè)計出的相應(yīng)行為動作。而隨著工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境問題也是日益顯現(xiàn)，如空氣的濕度、溫度、二氧化碳的置酸雨程度、可吸入顆粒物PM2．5等都與人們的生活息息相關(guān)，更是直接的影響了人們的健康。平衡車平臺上的高精度多軸加速度計陀螺儀更是與民用飛行器相關(guān)。圖像信息的采集并編碼以數(shù)字化傳輸，DSP的數(shù)字處理等于前沿的傳感器與生活的連接性很強(qiáng)，與之相關(guān)的傳感器采集信號的濾波、平衡車系統(tǒng)自平衡控制的PID參數(shù)的整定、判斷、設(shè)置、實驗場地環(huán)境圖像提取、場地中周邊賽道形式的識別及小車轉(zhuǎn)向的控制、角度閉環(huán)和速度閉環(huán)的相互之間協(xié)調(diào)等都值得分析。故一個多感官的智能助教平臺是理論和實際結(jié)合的典型。以平衡車為基礎(chǔ)的助教系統(tǒng)應(yīng)此而生。將靜不平衡系統(tǒng)與各類智能傳感器相結(jié)合正是典型的應(yīng)用。

1.2 平衡車系統(tǒng)與助教的融合

基于課堂上體感交互的助教理念和理論與實際相結(jié)合的例子，平衡車助教系統(tǒng)的操控和理論與實際印證是主要的設(shè)計點；平衡車的設(shè)計原理是利用平衡車內(nèi)部的加速度計和電子陀螺儀傳感器來檢測自身是否達(dá)到平衡狀態(tài)，為了加強(qiáng)平衡車系統(tǒng)的助教契合性更是在平衡車助教系統(tǒng)上加裝上各類前沿的傳感器來達(dá)到與課堂上的信息采集等理論結(jié)合的實際項目試驗。車體的各類功能采用模塊化設(shè)計，所以大大的提高了助教系統(tǒng)的實用性、靈活性、便捷性。除此之外，通過手機(jī)APP將歷次的實驗數(shù)據(jù)加以記錄與控制可以讓實驗更具有宏觀性。將自平衡車平臺與人機(jī)體感交互傳感器采集技術(shù)助教功能結(jié)合在一起，以課堂理論實踐為核心，分析理論知識下的自平衡車創(chuàng)新設(shè)計方法，以構(gòu)建自平衡車多層次多感官信息采集體感互動為設(shè)計目的。平衡車系統(tǒng)是當(dāng)今流行的成熟實用系統(tǒng)，其系統(tǒng)的架構(gòu)簡單易學(xué)是課堂教學(xué)的生動例子；助教是輔助教學(xué)的手段也是理論學(xué)習(xí)之外的實踐，如果助教的環(huán)節(jié)是成熟的典型的易于學(xué)習(xí)的相信對于課堂上的學(xué)生而言也是易于接受的。

2 結(jié)束語

文本根據(jù)現(xiàn)今高校課堂上助教的設(shè)備以及“理實結(jié)合”的理念，對當(dāng)前平衡車發(fā)展的現(xiàn)狀以及其相應(yīng)的優(yōu)點加以分析并將其與助教加以結(jié)合。在設(shè)計方面主要以課堂理論與項目實際的體統(tǒng)與學(xué)生的體感交互相結(jié)合，利用車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器，來檢測車體姿態(tài)的變化，并利用伺服控制系統(tǒng)，精確地驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡。助教平衡車既有信息采集、傳感器技術(shù)也有伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動，控制系統(tǒng)的架構(gòu)思想利用APP與終端設(shè)備加以通信并記錄實驗數(shù)據(jù)分析等；但在平衡車助教系統(tǒng)中，它的與學(xué)生之間的體感交互上、系統(tǒng)的易操作問題、用戶的可用性上都還有待提高。綜上，平衡車助教系統(tǒng)的前景很好，非常適合于教學(xué)輔助，值得推廣。

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侯立業(yè)、姜德才、魏強(qiáng)：沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院自動化專業(yè)、軌道交通信號控制專業(yè)、建筑電氣與智能化專業(yè)學(xué)生，研究方向機(jī)器人技術(shù)；耿欣：（1981-），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士研究生，研究方向機(jī)器人技術(shù)；李姿（通訊作者）：（1982-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士研究生，現(xiàn)從事電氣工程及其自動化方向理論課程講授。