双轮自平衡车控制方法

摘 要：双轮自平衡车是一种理想的代步工具，具有巨大的市场推广价值、环保价值、社会效益。双轮自平衡涉及机械制造、机器人研发、传感等多个领域，其控制是一个复杂的人机协同过程，本次研究从双轮自平衡结构特点与工作原理出发，探讨国内外关于该工具控制方法的研究现状，概括其研究意义，并总结研究要点，最后做出展望。

关键词：双轮自平衡车；机械制造；传感；人机协同

改革开放后，我国城市规模迅速扩大、人口呈膨胀式发展，因历史、交通建设、观念等原因，城市交通出行困难、交通堵塞已成为社会性问题，不仅影响运输效率，还带来诸如环境污染、相关疾病社会负担增加等诸多问题。双轮自平衡车是一种新型交通工具，具有灵活机动、占地面积小、节能环保等诸多优点，是一种较为理想的日常代步工具，有望解决城市交通问题。双轮自平衡车其核心技术是自平衡控制，后者是保证其高机动、安全、低能耗等优点的关键。本次研究就双轮自平衡控制进行概述[1]。

1 结构特点与工作原理

1.1 结构特点与构成

与其它机动车相同，其具有鲜明的结构布局，属同轴平行布置结构，两个平行车轮通过车轴与车体连成一个整体，为满足乘坐需要，其重心处于支点也就是轮面上方，非控制状态下无法维持平衡，属自然不稳定系统。其相较于前后布置两轮电动自行车，其转弯半径几乎为零，原定运动能力强，加载智能控制系统利于掌握，机械系统与实现原理简单，通过重心控制可控制车体运动，适应性强。

双轮自平衡系统核心是智能平衡控制系统，后者可分为双轮自平衡、一级倒立摆动两个子系统，从空间分布上可分为直线旋转立体结构，工作原理类似于人行走过程，除自平衡系统外，整个载具还包括车体机械结构、电动机系统、传感器测量、电源系统共五个组成部分[2]。

1.2 工作原理

通过具有测算重力的传感器、车体状态传感器等多个传感器，将获得数据依据制定好的程序发出相应的信号，这些信号经处理后，与预期数据进行对比，通过处理器据系统软件进行分析，计算合适的调整量，输出并控制驱动器，调整车轮转速、转矩，以实现行动，达到自身平衡状态。

2 国内外研究现状

双轮平衡控制系统包括机器人控制系统以及载具控制系统，早在上世纪80年代，便已有双轮平衡控制机器人诞生，而后逐渐向载具领域扩展。不同于机器人控制，载具研发对安全性要求更高，因为人具有较强的能动性、不可预知性、复杂性，要求平衡控制系统具有更强的适应性，研发难度更大，但另一方面因人具有自我调节功能，控制难度更低。目前，国内外关于双轮平衡控制机器人系统与载具系统均较多，前者研发、制作、实验成本低，也不存在伦理学制约，研发成果较多。总体上看，国外研究更为透彻、先进，研发机构较多，市场化程度较高，我国研究集中在高校，成熟的市场产品较少。以下就几种有较高价值的研究成果进行概述：①国外，瑞士，极点配置；美国S公司，冗余系统；美国TB公司，PD控制；澳大利亚，阿德莱德大学，PD控制、状态反馈控制；加拿大，卡莫森学院，模糊控制；②国内，台湾国立大学，模糊控制；中国，上海交通大学，模糊与自适应控制，中国科技大学，PID控制，日江电器体重自适应控制，中国农业大学，状态发聩控制[3]。部分产品已经上市，载量1-2人，70～120Kg，车速5～60Kg。

3 研究意义

3.1 特殊的代步工具

因具有平稳、占地面积小、灵活机动等优点，适用于单人、双人代步，在机场、商场、体育馆等大型室内场所行驶，同时适用于短途、中途城市交通，使用人员可包括交警、巡警、安保人员、旅客、观众、个人等，适用于狭小空间行驶，速度不快较为安全可靠[4]。同时，因采用电能，能源获取方便，有助于减轻能源、环境负担。

3.2 为相关技术研发、教学提供途径

作为一种典型的自平衡系统，因具有较强的市场推广能力、潜力，可为自平衡系统研发提供市场动力，推动自控制算法、重力感应、仿生学、电动、机械制造等领域相关技术发展，为实验论证积累经验。

4 研究要点

双轮自平衡系统控制方法研究要点应集中在以下几个方面：①电动机问题，电动机转矩控制、速度匹配；②平衡系统方面，对重心位置、负载的适应算法，特别是在空载、带载方面模式切换；③传感器方面，传感器测量车体状态可靠性，传感器分布，对整个车辆各部件的协同问题。

涉及基本必备数据包括：控制杆偏离轴角度、车体转弯角度、质量重心与轮轴距离、车轮半径、载体质点、轮轴长度、左右轮转角、左右车轮质量、车体质量、左右电机转矩、左右轮相摩擦力。此外，还应尽可能考虑路面膜材料、风阻。

此外为提高系统适应性，还需构建一套补偿控制体系，以提高车辆的适应性。

5 小结

双轮自平衡车具有巨大的市场推广价值，这是推动该载具发展的根本动力。现阶段，我国限于尚未有相关行业规章制度，研发制造双轮自平衡车尚存在较大风险，但笔者相信作为一种符合时展的新兴事物，其具有旺盛的生命力。一线工作者，应积极创新，寻求突破，创造、创新双轮自平衡车控制系统贡献自己的力量。■

参考文献

[1]张吉昌，程凯，郑荣儿，等.中国海洋大学学报，2009，39（3）：467-470

[2]张晓华，张志军.自平衡式两轮电动车耦合控制研究[J].控制工程，2013，20（1）：27-29.

[3]梁文宇，周惠兴，曹荣敏，等.双轮载人自平衡控制系统研究综述[J].控制工程，2010，17（S1）：149-151，190.

[4]周振德，胡立生，顾军.自平衡电动车定姿系统设计[J].控制工程，2009，16（S1）：45-48.