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独轮平衡车原理
独轮电动车是从独轮机器人演变而来其平衡问题的理论基础是移动的倒立摆,为高阶次、不稳定、非线性系统。该系统的动力学模型复杂,属于欠驱动系统。在静止状态下,车体受重力作用在车轮转动方向上不能维持平衡,必须通过运动调节才能实现平衡。因此,它是一个动态平衡系统,具有较强的理论研究价值。
控制平衡:自平衡独轮电动车系统其实就是单级倒立摆和旋转式倒立摆的结合体,它由车身和一个由电机驱动的车轮组成,其实物图和简化的模型示意图如图1(a)和图1(b)所示,是一个典型的不稳定系统。独轮车前进的方向是x轴正方向,车体纵垂线为y轴,正方向向上。当人和车体重心靠前,车身会向前倾斜,产生一个平衡角θ,为了保证人不摔倒,电机将驱动车轮向前运动,同理当人和车体重心靠后,电机将驱动车轮向后运动以保持平衡
。
利用电机来加强改进平衡:在此基础上,自平衡电动独轮车加以改进,靠电机驱动的,采用陀螺仪与驱动电路控制保持不倒。把身体向前倾斜就可以启动。速度则是由身体的倾斜程度来控制的,想要加速则向前倾,减速则向后倾。
抛开人的主动操控,独轮平衡车保证正常工作一定离不开加速度传感器和角速度传感器(陀螺仪)。
加速度传感器: 加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。只需要测量其中一个方向上的加速度值,就可以计算出车倾角。比如使用X轴向上的加速度信号,车直立时,固定加速度器在X轴水平方向,此时输出信号为零偏电压信号。当车发生倾斜时,重力加速度g便会在X轴方向形成加速度分量,从而引起该轴输出信号的变化。
但在实际车运行过程中,由于平衡车本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上,使得输出信号无法准确反映真正的倾角。因此对于直立控制所需