纵列式两轮自平衡电动车控制机理研究

林 放

（江门职业技术学院，广东 江门 529030）

本文研究的纵列式两轮自平衡电动车属于机器人研究领域，它的最大缺陷就是难以控制。该控制机理的主要模型是倒立摆模型，这种模型是一个极其不稳定的系统，该模型在研究控制机理方面是一个不错的实验平台，通过对该种模型的控制机理的研究，可以将其应用在人工智能、机器人操控、航空系统等各个领域，该项研究的应用前景开阔。近代以来，世界上的许多专家学者都对此进行了或多或少的研究。所以，针对纵列式两轮自平衡电动车控制机理的相关问题进行分析研究是十分有现实价值的，同时还具备一定的理论基础。

国外从事自平衡电动车的相关研究要比国内早，始于20 世纪80 年代末，在东京电信大学研究自动化相关方面的教授说出了一种通过智能控制技术来实现对自平衡车操控的设计理念，并且在20 世纪90 年代成功申请了项目专利。随着自平衡技术的不断向前推进，世界上从事相关行业的研究专家以及学者在最近的几十年间都取得了一定的研究成果。

在21 世纪初，中国科学技术大学的屠武勇、张培仁等人发明了一种电动车（见图1），它是一种电动汽车，两个轮子布置在人体的脚下，具有自平衡控制系统。这种代步车的处理器采用的是DSP 微处理器，中央控制器采用TMS 控制器;车身的动力源为铅酸蓄电池，采用直流电动机作为驱动装置来驱动两轮。在同一年间，河南科技大学的研究人员也研制出了一种两轮式自平衡电动车的模型。在之后的几年内，哈尔滨工程大学也进行了自平衡式两轮电动车相关方面的研究。以上两种情况的电动车都实现了自平衡的功能。

图1 电动车模型

在21 世纪10 年代初，美国某公司总裁和他的科研团队一同研究建立了C-1 自平衡电动车，这种电动车的独特之处在于它是首个采用陀螺仪稳定器来实现电动车的自平衡功能的；
与此同时，这种车还具有回收动力能源的系统，它储存能源的原理就是采用飞轮动力学技术实现的，并且这些飞轮的作用不仅仅是能够储存动能，还可以增加其平衡结构，使车身无论在什么情况下都不会翻车，这是由于车身自带的控制系统会根据外界环境的变化来改变其车身倾斜度，以达到使之稳定的局面。

综上，本文研究的出发点就是以上述美国公司的C-1 电动车为研究模型，发现国外在自平衡电动车领域先进的技术，分析它的运行机理和控制方法，从而可以通过研究逐步完善国内的自平衡电动车领域卡脖子的技术问题。

2.1 研究内容

本文研究的纵列式两轮自平衡电动车控制机理说到底就是独轮车的平衡控制问题，主要的研究对象就是日常生活中常见的独轮车侧平衡装置，由于质量块儿的侧平衡控制性能较低，就会给系统造成波动，同时水平方向的转子不能稳定地控制系统的侧平衡，垂直转子的平衡性虽好，但是对电动机的性能要求比较高。因此，综合考虑上述因素，同时在效仿美国陀螺仪平衡机构的基础上，研究设计出一种陀螺进动效应的倒立摆控制系统[1]，如下页图2 所示，同时进行稳定性的研究工作。研究工作内容如下：

图2 倒立摆系统控制原理图

1）倒立摆系统的结构设计部分。这项工作的具体内容是倒立摆系统的研制，主要的流程包含分析控制装置稳定的机理、设计倒立摆机构的具体方案、机构内部的部件研制、电动机的选择以及传动设备的选型。

2）分析倒立摆结构在运动学以及动力学方面的仿真模拟实验，检验该机构是否合理；
运用恰当的控制算法，验证该结构是否可控。

3）控制系统的设计部分。硬件设计包括方案设计、传感器选择、控制器设计、直流电机驱动器的选择等[2]；
软件设计则是包含控制系统控制方案的整体设计、电动机的控制、通信设备的控制以及收集相关数据等部分。

4）将用于实验的样机研发出来，在已经搭建好的实验平台上展开实验与数据处理等工作；
根据数据处理来得出倒立摆控制机构的实验结论和控制机理。

2.2 关键技术问题

针对两轮式自平衡电动车的关键技术主要是要搞好车身的自平衡控制技术，需要对车体本身的倾角做一个准确的测量工作，与此同时车身又要保持整体平衡。针对两轮自平衡车测控系统的算法，此次研究将以卡尔曼滤波和数字PID 两种控制算法为中心，本研究的难点在于如何编写自平衡电动汽车系统控制软件，对传感器测量的加速度和角速度信号进行卡尔曼滤波处理，从而计算出小车的倾角，然后通过数字PID 调节来控制直流电机的旋转方向和转速，使小车能够达到自动平衡并且行走的效果。项目拟解决的技术难点如下：

1）设计倒立摆系统的控制器，包括控制器对倒立摆系统的位置、速度、数据采集、检测能力，对倒立摆系统的倾斜角能进行实时数据采集和测试，具有良好的灵敏度和准确性，控制器应具有数据交互能力，可以实现与内部两部分信号通信的交互功能，同时具有高速数据处理能力，可以满足控制器对数据交互的要求。大体的设计原理图如图3 所示。

图3 控制系统总体方案图

2）电动机和电子调速器的设计和选择，包括电子调速器的设计、选择陀螺电机和盘式无刷电机。根据陀螺转子对倒立摆系统的平衡原理，确定DC 电机的控制方式，设计或选择相应的驱动器。

3）平衡控制算法编程，平衡控制程序是控制系统软件设计的核心，包括电机控制程序、算法运算等程序功能模块。在平衡控制中，算法的选择和设计是实现倒立摆系统的关键。

4）在硅微陀螺仪和加速度的基础上设计了两轮自平衡电动汽车姿态传感系统，并通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行融合，从而得到了高精度的车身倾角和角速度值[3]。

中国科学院贺作秀院士曾说：“未来，中国城市交通将是大型公交车辆和小型电动车的系统。”今天的中国，面临着能源压力、污染、交通拥堵等问题，电动汽车的轻量化设计和研究备受关注。并且，中国在这一领域的市场巨大，发展潜力巨大。

如今，国内基于自平衡技术平台的电动个人移动工具市场尚处于初始阶段，现有产品多为并联两轮自平衡电动车，在结构和驾驶体验上与传统电动摩托车有较大区别；
此外，并排两轮自平衡电动车在通过性和越障能力上比传统电动摩托车差，人们更喜欢传统电动摩托车的驾驶模式。在传统电动摩托车结构的基础上，提出了一种串联式两轮自平衡电动车，停车时可以像汽车一样在自平衡中盘旋，不需要依靠人力来平衡车辆，也可以像汽车一样实现逆向行驶。因此，车辆的驾驶非常灵活方便，驾驶体验与汽车完全一样，但却有着电动车的紧凑身材。目前全球只有美国在开发这种自平衡电动车的概念，并正在寻找合作伙伴将其推向市场。因此，纵列式两轮自平衡电动车不仅具有微、超微电动汽车的各种优点，而且具有纯电力和智能控制的优点，无疑将成为未来交通运输的主力军。

纵列式两轮自平衡电动车的系统极其复杂，在整体的设计过程中为了便于操控，需要采用蓝牙模块。在系统的设计过程中，小车的速度、方向的信息收集工作由传感器完成，而数据的处理工作则由PID 控制算法来完成，从而实现了小车的自平衡稳定。同时，在此次研究中为了达到稳定控制的目的，应用了陀螺进动效应，在此效应的帮助下，小车在实现自平衡的同时能够更加高效、稳定且灵敏，并且转子在工作时产生的能耗更低，应用在实际生活中会更加有利。