自平衡车.doc

一、基本原理[url=][/url] 本项目机器人是一辆简易型的双轮自主平衡小车,经过一个简单的机械式传感器获取小车的姿态,并经过调节小车前后运动方向,使得小车依靠两轮也能保持一个直立平衡。1、运动机理[url=][/url] 双轮小车的自主平衡原理,其实就是不断的经过改变小车前后运动的方向,使小车的车身在竖直方向上保持一个动态的直立平衡。就类似杂技演员表演独轮车一样,需要不断的前后踩脚踏板使小车在前进和后退间不断变换,以保持一个平衡。这个具体的平衡原理如下: 1、双轮自平衡小车一般长得都比较“高”,也就是重心位置比较高,位于车身底部的两个车轮是平行安装的,默认静止状态小车是无法保持一个直立的状态的。 2、如果车轮带动小车前进,小车下半身会比上半身先获得前进的加速度,即启动的瞬间小车的下半身前进而上半身静止,则会出现小车趋向后仰的状态。就类似汽车突然加速,我们身体会感到一个后仰的趋势。 3、如果车轮带动小车后退,小车下半身会比上半身先获得后退的加速度,即启动的瞬间小车的下半身后退而上半身静止,则会出现小车趋向前倾的状态。就类似汽车突然刹车(后退),我们身体会有一个前倾的趋势。 4、由于小车重心较高,如果小车前进--后仰,或者小车后退--前倾,随着小车的继续运动,这个后仰或者前倾的趋势会越来越大,必须及时纠正,否则小车就会倾倒下去。 5、如果小车前进中,有了后仰的趋势,达到一定程度后,能够让小车变成后退,让小车后退产生的前倾趋势去纠正原来前进时后仰的趋势;如果小车后退中,有了前倾的趋势,达到一定程度后,让小车变成前进,让小车前进产生的后仰趋势去纠正原来后退时前倾的趋势。如此往复循环,使小车保持一个直立的动态平衡状态。[/url]2、控制原理[url=][/url] 根据以上平衡原理,我们的双轮自平衡小车的具体运动控制过程如下: 1、车身后仰,则让小车后退,车身恢复直立; 2、小车继续后退,车身又会前倾; 3、车身前倾,则让小车前进,车身恢复直立; 4、小车继续前进,车身又会后仰; 5、重复以上第1步……对于小车后仰或者前倾趋势的纠正,必须及时需要在适当的时刻进行纠正,太早了可能小车过快变成相反状态无法控制;太晚了可能已经错过时机无法纠正最后导致小车倾倒下去了。如何探知什么时刻是恰当的,就需要借助一个姿态反馈机构,能够在我们认为小车的姿态刚好到了要调整的时候,反馈给控制系统以及时改变小车的运动状态。常见的姿态控制机制能够用于自平衡小车的姿态反馈机构有多种: 1、性能最好也是最复杂的算是用专业的姿态传感器——角度传感器,再辅以加速度传感器,能够精确的探知平衡小车的准确姿态。 2、能够利用光反射器件,把光线对着地面照射,探测反射光线的强度能够获知小车的姿态,因为不同的姿态下倾斜角是不同的,反射回来的光线强度也是不同的。以上是两种最常见的自平衡小车的姿态反馈机构。利用这些反馈机构,在获得较为精确的姿态信息之后,都必须有能够进行复杂计算和智能决策的控制系统对反馈的信息进行处理,这一般多需要用到微处理芯片(也就是单片机),关于这个我们这里暂不展开讨论,有兴趣的朋友能够自己在网上查找相关资料,或者等我们的教程后面进入到高级篇的时候再作进一步探讨。本项目所采用的姿态控制机制双轮自平衡小车其实是一种技术难度比较高的项目,从以上所提到的姿态反馈机构就可见一斑。在这里我们并不需要一下子涉入过深,现阶段的目标还是主要以经过简单可行的方式了解基本的原理即可。因此在本项目里,我们没有应用复杂的反馈机构,而是用了一个简易的机械式的传感器——限位开关,并结合特殊的控制电路,用一个非常简单的方式实现小车的自平衡控制: 1、在小车后部安装了一个限位开关,这个限位开关就和我们在PVC-Robot1号所应用的碰撞开关是一样的,其实就是一个“微动触碰开关”,当用在碰撞控制的时候被称为“碰撞开关”,在用在限制位置的时候被称为“限位开关”。 2、在本项目里,为了简单起见,我们的限位开关只有在小车前进导致后仰时进行姿态的反馈控制,而对于后退导致前倾时并没有再加上姿态的反馈控制。对于后退运动,我们是利用限位开关所具有的机械延时特性,也就是说机械式的触点状态改变不是即时的,而会有一个短暂的时间:在限位开关触发控制小车后退,到完全纠正后仰状态让限位开关放弃触发重新控制小车前进,这中间的一段很短暂的时间,也就是允许小车后退运动的时限来控制后退时的姿态。相当于说小车后退我们不是探测其姿态,而是限制一个时间——小车后退到了这个时间后姿态也正好到了要调整的时候。这和PVC-Robot1号是类似的,在1号机器人中是探测到小车碰到障碍物,然后利用碰撞开关的机械延时特性给小车一段转向时间,这个转向时间是正好足够小车改变方向的。总的来说,小车前进的姿态我们是用机械传感器进行控制,而小车后退的姿态我