读书报告：平衡车的原理及功能实现方法

读书报告：平衡车的原理及功能实现方法

载人平衡车是一种靠电能提供能源，能够载人直立平衡行走的交通工具。随着社会的发展，公共交通的拥堵也成为普片现象，越来越受到人们的关注。载人平衡车由于其体积小巧轻便，适用能力强，能够有效缓解交通压力。

两轮自平衡车是当今机器人研究领域的一个重要分支,它涵盖了电子、机械、自动控制与信号处理等多个学科。其结构类似于倒立摆,具有非线性、强耦合的特性。由电源、电动机构成其原动机模块；由机构件轮、轴构成其机械传动机模块；由控制芯片、陀螺仪构成其信息机模块。

平衡车模块简图

一．原动机模块

2个直流电动机安装在车体平台下面，驱动电机的H桥由4个N沟道功率MOS管AUIRFB4410组成[5j。采用IR公司的IR2184作为MOS的栅极驱动器,IR2184是一种双通道、高速高压型功率开关器件，具有自举浮动电源。在自举上作模式下，对自举电容和自举_极管的要求都较高。自举电容的耐压值仅为VCC的电压，但其容量由下列因素决定:驱动器电路的静态电流、电平转换器电流、MOSFET的栅源正向漏电流、MOSFET的栅极电容的大小、自举电容的漏电流的大小、以及上作的频率。

为了减少自举电容的漏电流，应尽量采用非电解电容，本系统中采用陶瓷电容。自举_极管必须能够承受干线上电压的反压，当开关频率较低时，要求电容保持电荷较民时间，一极管的高温反向漏电流尽量小。同样为了减少自举电容反馈进电源的电荷数量，_极管应选用超快恢复_极管。在本系统中自举_极管采用了快恢复一极管FR307，自举电容采用1 uF的陶瓷电容，完全满足本系统的需要。驱动电路中在栅极也串联了一个10 S2的小电阻，虽然这个电阻会影响一定的MOS开启速度，但可以减少栅极出现的振铃现象，减少EMI;为了加快MOS 管的关断速度，在设计电机驱动电路时在栅极电阻上反向并联了一个_极管;另外在栅极对地接了一个lOK的下拉电阻，这个电阻可以防比MOSFET被击穿;最后在电机的输出端对电源和地接了4个TVS管，一方而可以续流，另外还可以

抑制大的尖峰脉冲。

将2块BTN7971B半桥驱动芯片组成一个个桥电路o BTN 7971B是一款集成芯片，最高电流可达几十安培，电磁十扰极小，完个针对电和L驱动设计。同时囚为该芯片内部的驱动控制集成电路支持PW M信号输入，方便与微控制器接口连接，而且该驱动芯片还具有过压、欠压、系统电机驱动电路采用BTN7971B 芯片过热、过流和短路保护等功能。其个桥结构可满足电机双向旋转控制。系统利用微控制器输出PW M信号通过隔离芯片74H C 244来控制驱动芯片，改变PW M波的占空比即可实现电机转速的调节。

二．传动机模块

直流电机产生的动力经由悬架机构，轴，齿轮，传动机构传递到左右两轮。悬架由杆、摆臂、筒和弹簧组成，使得车轮与车架连接起来。其主要作用在于传递车轮和车身之间的一切力和力矩，并且减缓不平路面带来的冲击，衰减因冲击带来的震动，以保证成员的舒适性要求。

悬架通过轴与左右两轮连接，从而把由原动机——电机产生的动力输送到左右两轮。

三．信息机模块

一般平衡车采用陀螺仪判断小车的原有姿势状态，加速度传感器计算车体的倾斜角度，算法抵消原有角度的倾斜，采用处理器处理数据和控制小车,最终达到车体的平衡。小车自行保持直立,并且具有较好的回复平衡能力。构建平衡车机电控制系统，研究机电控制系统的建模与仿真设计方法.在建立系统结构模型的基础上，应用拉格朗日(Lagrange)方法建立系统动力学方程和数学模型;在LabVIEW及其控制与仿真工具包开发环境下，依据系统的数学模型，设计状态反馈控制器.

两轮平衡车的控制可以简单应用于PID控制算法。因为它的简单性、可靠性和鲁棒性等特点而广泛运用于运动和过程控制中。可是按照常规的PID控制方法达不到理想的控制效果，况且在现实的应用过程中受到参数整定方法繁杂的困扰较大。此外还有采用智能控制（如模糊控制）实现对两轮平衡车快速、稳定控制。

参考资料：

行阳阳《基于模糊PD的两轮自平衡车的设计》

任航《双轮平衡车控制》

杨程引；程菊花；陈友荣；许建芬；李力栋；《两轮直立自平衡车的设计》孙军万明伦吕博王玉玲《平衡车机电控制系统建模与仿真》

薛凡《两轮平衡车的建模与控制研究》

徐光宪《两轮代步平衡车的设计与实现》

赵耀，龚见素，张雨涵《基于K6 0的动态闭环自主循迹平衡车控制系统硬件设计》