馮世偉

摘 要：針對當(dāng)前自平衡車體積較大，抗干擾能力差等問題，文中設(shè)計(jì)了一款無人駕駛自平衡車。該自平衡車采用基于飛輪陀螺效應(yīng)的自平衡技術(shù)，以STM32F103單片機(jī)為控制核心，配合姿態(tài)傳感器采集車身傾角數(shù)據(jù)，結(jié)合PID控制算法控制陀螺偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生修正力，實(shí)現(xiàn)自平衡，同時(shí)以航模遙控器為控制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控，應(yīng)用于山區(qū)、荒野、偏遠(yuǎn)地區(qū)及受災(zāi)地區(qū)的物資運(yùn)送等。

關(guān)鍵詞：無人駕駛；自平衡技術(shù)；PID

1 作品簡介

輪式移動(dòng)機(jī)器人由于其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、能量利用率高等特點(diǎn)而得到廣泛重視。我們設(shè)計(jì)的兩輪（前后排布）自平衡車采用基于飛輪陀螺效應(yīng)的自平衡技術(shù)，巧妙利用陀螺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自平衡。系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制核心，配合姿態(tài)傳感器采集車身傾角數(shù)據(jù)，結(jié)合PID控制算法，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行器，控制陀螺偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生修正力，實(shí)現(xiàn)自平衡；以航模遙控器為控制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控，控制小車完成前進(jìn)、加速、減速、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，而陀螺效應(yīng)使得本作品具有良好的抗干擾能力和較快的行駛速度。本作品主體狹長，動(dòng)作靈活，適合在狹窄路徑高速行駛，在復(fù)雜路況下正常行駛，可應(yīng)用于山區(qū)、荒野、偏遠(yuǎn)地區(qū)及受災(zāi)地區(qū)的物資運(yùn)送。由于其抗干擾能力強(qiáng)，操作簡便，易于控制，也可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品采摘、交通運(yùn)輸、軍事偵查等領(lǐng)域。實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

2.1 陀螺效應(yīng)原理

如圖2所示，飛輪的自轉(zhuǎn)軸為Z軸，相對自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J0的飛輪，以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。令飛輪繞垂直于軸Z軸的偏轉(zhuǎn)軸X軸以角速度ω1偏轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)橥勇菪?yīng)，飛輪將產(chǎn)生一個(gè)方向沿Y軸的力矩M：M=J0ω0ω1 ，由此可見力矩M的方向沿著Y軸正方向。以此為基本理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了自平衡兩輪車系統(tǒng)，通過控制飛輪的偏轉(zhuǎn)方向， 產(chǎn)生大小、方向合適的修正力矩，維持系統(tǒng)平衡。

2.2 單飛輪自平衡系統(tǒng)

飛輪在飛輪框架內(nèi)由高速電機(jī)帶動(dòng)， 轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min 以上。偏轉(zhuǎn)電機(jī)固定在外框架上，驅(qū)動(dòng)飛輪框架連同飛輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)角度傳感器用于檢測實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度。外框架的底部與傾斜轉(zhuǎn)軸固連，并能向左或向右傾斜；外框架上的姿態(tài)傳感器用于測試外框架傾斜的角度及角速度。單飛輪自平衡裝置的工作原理為：姿態(tài)傳感器檢測到外框架向左或向右傾斜的角度和角速度后，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)飛輪發(fā)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生修正力矩，令外框架恢復(fù)到豎直狀態(tài)。力學(xué)模型與平衡裝置及坐標(biāo)系如圖3所示。

2.3 自平衡兩輪車的工作原理

根據(jù)車體向左或向右傾斜的角度，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)前后飛輪繞偏轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生修正力矩，使車體保持豎直狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自平衡兩輪車系統(tǒng)以STM32F103 單片機(jī)為控制核心。通過姿態(tài)傳感器采集車身的左右傾斜角度，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過控制算法，根據(jù)輸入的角度數(shù)據(jù)得出偏轉(zhuǎn)電機(jī)的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，從而控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生修正力，使系統(tǒng)達(dá)到自平衡。此外，通過航模遙控器可以無線遙控兩輪車的前進(jìn)、加速、減速、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）巧妙利用陀螺效應(yīng)，使小車實(shí)現(xiàn)自平衡，同時(shí)，由于雙陀螺的設(shè)計(jì)，小車的抗干擾能力較強(qiáng)，在面對外部沖擊的情況下依舊能夠平穩(wěn)高速地行駛。不僅如此，陀螺效應(yīng)相比于市面上大多數(shù)自平衡車所采用的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定原理抗干擾能力更強(qiáng)，在面對外部沖擊時(shí)能更好地實(shí)現(xiàn)自平衡，不易受到干擾。且市面上大多數(shù)自平衡車只能在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下保持平衡，而我們設(shè)計(jì)的小車由于設(shè)計(jì)原理的獨(dú)特性可以在保持原地不動(dòng)的情況下保持平衡。

（2）我們采用的操縱方式不同于其他利用陀螺效應(yīng)的自平衡車。通過提前設(shè)定好不同程序，以遠(yuǎn)程遙控的方式來控制小車，在特殊路段行駛時(shí)采用遠(yuǎn)程控制方式可保障小車安全通過，在執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)也可采用遠(yuǎn)程遙控的方式將所要運(yùn)送的物品運(yùn)送到目的地。由于小車的抗干擾能力極強(qiáng)，在執(zhí)行任務(wù)的過程中，無需擔(dān)心來自側(cè)面的撞擊導(dǎo)致小車失去平衡。

4 市場前景

在農(nóng)業(yè)方面，該系統(tǒng)可以被用來幫助農(nóng)業(yè)工作者采集土壤樣本，采摘農(nóng)產(chǎn)品，噴灑農(nóng)藥等。在交通方面，該平衡車既能夠載人又能夠載物。載人時(shí)，可作為一般電動(dòng)車駕駛，也可讓行動(dòng)不便的人更好地行動(dòng)；載物時(shí)，可以由人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將貨物送到指定目的地。在軍事方面，可以偵察敵情，傳遞信息，又可攜帶炸藥，減少我方人員傷亡。總體來說，本自平衡車體積小，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，路段適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛。