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电动自平衡车调研报告

发布时间：2014-12-07 20:54:06 来源：文档文库

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电动自平衡车设计调研报告

姓名宋奇

班级工设111

学号1108010111

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。

摘要.......................................... ................................................................................... 2

引言.......................................... ....................................................................................4

1 绪论 .......................................... ................................................................................... 5

1.1 国内外自平衡电动车研究及发展现状 ............................................................... 5

1.1.1 国外的研究现状 ................................................................................................ 5

2 运动原理........................................................................................................................8

3电路部分研究.................................................................................................................8

4能源..............................................................................................................................8

4.1能源性能.................................................................................................................9

4.2能源种类.................................................................................................................9

4.3依用途区分.............................................................................................................9

4.4电池种类.................................................................................................................9

5主要品牌.........................................................................................................................10

总结...........................................................................................................................10

参考资料.......................................... ................................................................................11

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。

1 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(Dean Kamen) 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Segway

Segway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。

2002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,另一个则用来控制机器人的导航。它较为先进的地方在于可以自动进行地图匹配与导航计算,通过无线通信与上位机进行数据交换。

2005年,日本村田制作所推出世界上唯一的自行车型自平衡机器人“村田顽童”。它不同于以上所描述的机器人,它的两个车轮式前后布置,类似于自行车,如图1-5所示。但是其依然是基于倒立摆控制理论,即使是停止时,“村田顽童”依然能够保持平衡。其倾斜姿态由村田制作所自主研制的惯性回转器与陀螺仪共同检测,并由惯性回转器提供反方向的力,从而保持平衡。“村田顽童”一经推出，获得了业界巨大的反响，甚至被2006年的时代杂志评为2006年最佳发明奖。

2008年,日本村田制作所再接再厉，在“CEATEC JAPAN 2008”上，再次推出类似“村田顽童”的产品“村田少女”，如图1-6所示。她釆用独轮车取代自行车，身高500mm，体重约5千克，最大行驶速度为5cm/s。由于是独轮车，其控制难度高于“村田顽童”, 而且还配备了超声波测距传感器，用来检测行驶过程中的障碍物，从而实现自动避障。

图1-5 村田顽童图1-6 村田少女

2008年,一款名叫“Uno”的自平衡摩托车,如图1-7所示，在多伦多国际摩托车展上被展出，它的设计者是BenJ.PossGulak。这种摩托车为纯电动，车中内置两个陀螺仪用来检测车身姿态并控制车辆平衡，通过车把控制方向，最高时速可达30-35公里每小时。

2008年，日本丰田公司仿照segway，推出其名为“toyota winglet”的商业化产品，如图1-8所示。其工作原理与segway相同，结构上与segway相比，更为小巧，其整车投影面积仅有A3图纸大小，并且摒弃了控制车把的转向方法，而采用一个独特的机械装置，使驾驶者靠下肢即可实现转向。

图1-7 UNO 图1-8 TOYOTA Winglet

2运动原理

由于两轮自平衡电动车的两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程。

3电路部分研究

整车的电路部分结构如图3-1 所示，包括电源模块，传感器采集模块，电机控制模块，控制器模块。电源模块为每个系统提供相应的电压，使其稳定的工作。单片机通过SPI 串行总线接收AD7683 采集陀螺仪ADXRS610 的角速度模拟信号，通过单片机的片内AD 采集加速度信号和滑动变阻器的转向信号。经过单片机内部的一系列算法，输出pwm 波（脉宽调制波）通过电机驱动模块来驱动电机，实现车体的平衡。

4能源

4.1能源性能

1、铅酸电池(含铅酸胶体电池),成本便宜，性能稳定，市场上的电动车都采用此种电池。

2、锂离子电池(常称之为锂电池),成本昂贵，性能不稳定，容易出现爆炸，安全系数低。正在研制使用的磷酸铁锂动力电池解决了安全的问题。正在进一步完善。

3、晶胶电池，成本高，性能稳定，市场上使用此类电池的电动车并不多见，只有少数商家才给配置此高性能电池，安全系数最高。使用寿命远高于前两类电池的优势和自我修复功能的优势也是行业的领先位置，优势是铅酸电池不具有的，避免铅酸电池分层的劣势。

4.2能源种类

一次电池：用完即丢，无法重复使用者，如：碳锌电池、碱性电池、水银电池、锂电池。

二次电池：可充电重复使用者，如：镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池、太阳能电池、晶胶电池、磷酸铁锂电池。

4.3依用途区分

工业用例：工厂使用于产品内建者，属特定外型或多粒组成，如：电动工具、通讯用电池等。

消费性使用例：一般消费者使用，可于市面购置更换者，使用量最多的为圆柱形凸头电池。

4.4电池种类

化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）铅酸蓄电池。其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。

5主要品牌

i-ROBOT

i-ROBOT[1] （智能代步机器人）是由上海新世纪机器人有限公司自主研发生产的一种现代化的智能移动平台，是中外工业设计师艺术和技术融合的结果，i-ROBOT体型灵活小巧，携带方便，采用电力驱动，可以避免环境污染等问题。融入的蓝牙4.0，APP互动移动终端等高科技应用技术。

Ninebot

Ninebot(九号机器人)是一款现代交通代步工具，全部由电力驱动，无污染排放，高度契合当代节能减排倡导方向，车身内部采用自平衡系统，可与手机高级别互联互动，当驾驶者站立在车上，车辆即可按照驾驶者的重心偏移进行测算并控制运动，是纳恩博（天津）科技有限公司生产、销售的最新一代智能代步机器工具。

Segway

Segway是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具，是都市用交通工具的一种。在中国翻译为：赛格威。目前在国内也有相类似的平衡车，i-ROBOT代步机器人就是行业内技术领先的佼佼者。

其研发、生产的i-ROBOT系列智能代步机器人，已申请专利75项，其中包括PCT国际专利2项，44个发明专利、14个实用新型专利和17个外观专利，进实审专利7个，已授权专利31个，包括3个发明专利，13个实用新型专利和17个外观专利。并通过了ISO9001质量体系认证、ISO140001环境管理体系认证、CE产品认证、UN38.3航空运输认证等多项国家、国际认证。

SOLOWHEEL

SOLOWHEEL—索罗威尔，迄今为止最小的自平衡电动独轮车，它以磷酸铁锂锂离子电池为动力源，蓄电能力媲美混合型动力汽车。最高时速可达到16公里，内置重力感应陀螺仪，反应时间小于20毫秒，充满电可连续行驶16公里（受用户使用情况及环境的影响）。SOLOWHEEL为使用者提供了一种简单、方便、实用的代步工具，带给您前所未有的移动和驾驶新体验。

总结

通过调研自平衡车有着宽广的市场空间以及诸多优点，其中优点包括

（1）噪音小。电能作为能源主要以电动机为驱动力，它与内燃机驱动为主的汽车相比噪音小，震动也相对比较小，传动系统相对简单。

（2）能源利用率高。以电能为主要消耗。而电能又可以由其它清洁能源转化而来，例如风能，水能等。

（3）占地面积小。两轮左右平衡布置方案，结构简单。能够缩小占地面积，从而解决停车位的问题。

（4）操作简单，两轮自平衡车主要是通过驾驶人员的重心位置改变而前后行驶。与传统的驾驶方式相比，易于操作和控制。

（5）0半径转弯。两轮自平衡车的两轮是独立驱动，在转弯时通过分别控制两轮的转矩，从而实现0半径转弯，与一般电动车相比两轮自平衡车具有更好的通用性。

鉴于自平衡车的这些优点，而且中国作为汽车高密度国家之一，交通越来越拥挤，

这就使得自平衡车非常适合作为一款新型的代步工具。

参考资料

百度百科——北京科技大学本科生毕业论文

Ninebot一种全新的个人代步工具．新华网 [引用日期2013-11-2]