平衡车讲解.ppt

平衡车
设计总的步骤
原理
电路设计
机械设计
软件开发
车模调试
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原理篇
整个车模控制任务可以分解成三块:
控制车模平衡:通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态;
控制车模速度:通过调节车模的倾角来实现车模速度控制,实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制;
控制车模方向:通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制
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控制车模平衡
我们把车模简化成倒立的单摆
对单摆进行受力分析,当物体离开平衡位置,会受到一个回复力使之恢复平衡
这个力与偏移的角度之间大小成正比,方向相反。
而单摆是因为受到与单摆运动速度成正比,方向相反的空气阻尼力才能停在平衡位置。
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总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个:
(1) 受到与位移(角度)相反的恢复力;
(2) 受到与运动速度(角速度)相反的阻尼力。
只有存在一个临界阻尼系数,才能使单摆回到平衡位置的时间最短。(如右图中的绿色曲线)
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对车模进行受力分析如左图,车模不能稳定在平衡位置,是因为它在运动时受到的回复力与位移方向相同。解决的方法就是加一个额外的受力,时恢复力与位移方向相反。
通过让小车加速运动,可以使它受到额外的惯性力,这样车模数道德回复力为:
为了让车膜尽快恢复到平衡位置,还需要增加阻尼力,空气阻尼和摩擦力相对都比较小,所以还需增加一个与偏角速度成正比,方向相反的阻尼力,
θ为车模倾角,θ'为车模角速度
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对车模的受力分析中
可以看出。为了使车模保持在平衡位置,车模加速度
控制参量k1决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置,它必须大于重力加速度;
k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数,选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。
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在该平衡控制中,与角度成比例的控制量称为比例控制,相当于回复力,也就是我们上面的系数k1,也是我们会在后面提到的Pangle,该参数应该大于重力加速度g的等效值才能使车膜保持直立,若参数过大,会引起车模震荡;
与角速度成比例的控制量称为微分控制,其中的微分参数相当于阻尼力,也就是我们上面的系数k2,后面我们会提到的Dangle,该参数可有效抑制车模的震荡,若参数过大,车模会抖动。
总结控制平衡车直立的条件:
1、能够精确测量车模倾角和角速度的大小
2、能够控制车轮的加速度
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车模运行速度和加速度是通过控制车轮速度实现的,车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动,因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。
电机的运动控制有三个作用:
;
,实现车模恒速运行和静止;
,可以实现车膜方向的控制。
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车模角度和角速度的测量
加速度传感器
通过AD采样的电压信号可以算出倾斜角度
MMA7260三轴加速度传感器
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