兩輪載人自平衡車姿態測量單元設計

張艷萍+蘇敏

摘要：隨著交通和環境問題日益突出，兩輪載人自平衡車作為一種代步工作，具有使用簡單、節能環保、運用靈活的特點，尤其是在狹小的地帶，具有明顯的優勢。本論文以兩輪載人自平衡車為研究對象，對兩輪載人自平衡車的姿態測量單元設計進行了詳細的研究，從而有效提高了自平衡車姿態角測量的精度，為自平衡控制的實現提供了有效的保證。

關鍵詞：自平衡車；姿態測量；單元設計

兩輪自平衡車是動態機器人的一種。在21世紀初期，美國發明家借鑒倒立擺的原理，利用自平衡技術推出了“Swgway”的載人代步工具。載人平衡車系統，以鉛蓄電池作為能量來源，通過電機進行驅動，采用兩輪平行安裝的方式，在使用過程中，具有占地面積小、結構簡單、操作容易等特點。

一、兩輪載人自平衡車概述

（一）兩輪載人自平衡車基本原理

兩輪載人自平衡車具有左右兩輪的電動代步車，屬于同軸平行布置結構，是一種典型的類倒立擺欠驅動系統，具有擺具有不穩定、非線性、強耦合及自然不穩定的特點，系統通過檢測車體傾斜角度，并利用平衡的原理，實現對左右電機的控制，從而有效控制兩輪自平衡車的控制。

兩輪載人自平衡車在使用的時候，無需采用任何控制措施，一旦在使用的時候，突然出現放手的現象，就會導致平衡車向前或者向后傾倒。當使用這站在自平衡車上時，使用者的重心就會位于支點的上方，當支點和重心處于豎直方向同一直線上，只有相對速度為零，才能維持平衡。因此，在使用兩輪載人自平衡車時，只有通過強有力的控制手段，產生抵抗傾斜的力矩，才能更好地控制自平衡車的動態平衡狀況，從而有效地抑制自平衡車在運行過程中發生傾倒的現象。

（二）兩輪載人自平衡車的控制特點

1.平衡控制。兩輪載人自平衡車在使用過程中，主要是通過采取負反饋的方式進行實現的。自平衡車在運行的過程中，當小車一旦偏離平衡點時，小車受到的回復力和位移偏離方向相同，在沒有外力的情況下，小車就無法實現平衡的狀態。在這種情況下，就要通過施加與回復力相反方向的力，使其在某個平衡點的力達到平衡狀態。

2.速度控制。兩輪載人平衡車在保持平衡的前提下，還要對速度進行控制。通常，小車的速度是通過自平衡車的傾角的大小來加以調整的。自平衡車在運動的過程中，當前傾角越大時，小車前進的速度也越快；反之，當后傾角角度越大時，前進的速度也就越慢。

3.方向控制。在兩輪載人自平衡車的控制中，主要通過轉向器實現對方向進行控制。在自平衡車的車體和轉向桿連接處安裝轉向器，使用者就可通過轉向器，實現對方向的控制。

二、兩輪載人自平衡車姿態測量

在對兩輪載人自平衡車姿態的設計中，主要是對其傾斜角度的進行測量，從而有效降低自平衡車制作成本，以達到保證兩輪載人自平衡車的平衡。

（一）傾斜角測量單元硬件設計

通常，在對兩輪載人自平衡車姿態測量單元硬件的設計過程中，主要是選擇六軸慣性傳感器MPU6050進行的，這種傳感器有效避免了陀螺儀與加速計的軸間差距問題。

六軸慣性傳感器MPU6050的內部具有截止頻率可變的硬件低通濾波器、FIFO緩存隊列、數字運動協處理器等輔助功能，具有很強的自校準及自我檢測的能力。在對自平衡車的傾斜角測量單元硬件設計過程中，可以通過400Kb/s的I2C總線接口和控制器交換數據，從而有效滿足各種運動檢測場合的需求。

（二）傾斜角測量單元濾波器設計

通常，在對兩輪載人自平衡車傾斜角測量單元濾波器設計的過程中，主要是通過以下幾種方法進行的。

1.基于四元數的陀螺儀定姿算法

基于四元數的陀螺儀定姿算法，具有旋轉速度快、精度高、無奇異點等特點，其主要計算方法為：

在式（1）中， 為陀螺儀輸出時的旋轉角速度構成的載體坐標系下的四元數向量，且 為上一次四元數向量， 則表示四元數交叉乘運算。在計算的過程中，主要是通過對（1）式將載體坐標系的角度蘇轉換到絕對坐標系下，之后再對 的積分實現絕對坐標系下姿態四元數的更新。離散后的具體實現過程為：

在（3）式中，將i取值為1、2、3、4，△t則為系統采樣周期。根據更新后的四元數，可獲得對應的旋轉矩陣，從而得出四元數表示的車體傾斜角。

2.加速度計定姿方法

三軸加速度計可直接輸出載體坐標系下的三個軸向的角速度分量，根據這三個角速度分量便可直接獲得橫滾角和俯仰角θ，且

在對加速度計定姿計算過程中，由于加速度計容易受到高頻干擾信號、以及系統運動速度的影響，在進行動態角度測量時，經常會出現誤差，對自平衡車運行過程中的動態系統角度測量非常不適合。

3.自適應顯性互補濾波器設計

在對兩輪載人自平衡車傾斜角進行測量的時候，陀螺儀輸出的角速度直接進行積分便可得到姿態角，而姿態角具有很好的動態性能，可以為相關的研究者提供瞬間的動態角度變化。另外，在計算的過程中，由于受到積分漂移和低頻噪聲的影響，非常不適合長時間的單獨工作。而加速度計則具有良好的靜態性能，可以為兩輪載人自平衡車傾斜角測量研究過程中，提供出比較準確的靜態角度值，但是在計算的過程中經常會受到高頻干擾的影響，使得疊加系統運動的加速度增大，從而導致動態測量的誤差增大。

在對自適應顯性互補濾波器設計的過程中，可以將加速度計測得的數據與上次估計值之間的誤差按照比例積分低通濾波，對加速度計的高頻干擾能夠進行有效的濾除。然后在對濾波后的加速度計測量誤差對陀螺儀測量的角速度進行補償和修正，從而將陀螺儀的積分漂移等低頻干擾進行有效的濾除；最后，再采用積分求得新的最優姿態四元數。這樣一來，就可以獲得較好的濾波效果。

結束語

綜上所述，兩輪載人自平衡車作為一種代步工作，具有使用簡單、節能環保、運用靈活的特點。在使用的過程中，兩輪載人平衡車的速度可以通過平衡車的傾角大小進行調整。這就要求在使用的過程中，通過四元數的陀螺儀定姿算法、加速度計定姿方法、以及對自適應顯性互補濾波器設計等方式，有效提升自平衡車在運行過程中的穩定性。

參考文獻：

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[3]劉恒.站坐兩用式兩輪自平衡車的設計與實現[D].華中科技大學，2015.

作者簡介：

張艷萍（1983.6），女，山東濟南，漢族，研究生，齊魯理工學院，副教授，智能控制

蘇敏（1983.2），女，遼寧沈陽，漢族，碩士研究生，齊魯理工學院，副教授，檢測技術與工業自動化

*課題名稱：關于雙輪載人自平衡車控制系統的研究編號：07qlk009endprint