两轮载人自平衡车姿态测量单元设计

张艳萍+苏敏

摘要：随着交通和环境问题日益突出，两轮载人自平衡车作为一种代步工作，具有使用简单、节能环保、运用灵活的特点，尤其是在狭小的地带，具有明显的优势。本论文以两轮载人自平衡车为研究对象，对两轮载人自平衡车的姿态测量单元设计进行了详细的研究，从而有效提高了自平衡车姿态角测量的精度，为自平衡控制的实现提供了有效的保证。

关键词：自平衡车；姿态测量；单元设计

两轮自平衡车是动态机器人的一种。在21世纪初期，美国发明家借鉴倒立摆的原理，利用自平衡技术推出了“Swgway”的载人代步工具。载人平衡车系统，以铅蓄电池作为能量来源，通过电机进行驱动，采用两轮平行安装的方式，在使用过程中，具有占地面积小、结构简单、操作容易等特点。

一、两轮载人自平衡车概述

（一）两轮载人自平衡车基本原理

两轮载人自平衡车具有左右两轮的电动代步车，属于同轴平行布置结构，是一种典型的类倒立摆欠驱动系统，具有摆具有不稳定、非线性、强耦合及自然不稳定的特点，系统通过检测车体倾斜角度，并利用平衡的原理，实现对左右电机的控制，从而有效控制两轮自平衡车的控制。

两轮载人自平衡车在使用的时候，无需采用任何控制措施，一旦在使用的时候，突然出现放手的现象，就会导致平衡车向前或者向后倾倒。当使用这站在自平衡车上时，使用者的重心就会位于支点的上方，当支点和重心处于竖直方向同一直线上，只有相对速度为零，才能维持平衡。因此，在使用两轮载人自平衡车时，只有通过强有力的控制手段，产生抵抗倾斜的力矩，才能更好地控制自平衡车的动态平衡状况，从而有效地抑制自平衡车在运行过程中发生倾倒的现象。

（二）两轮载人自平衡车的控制特点

1.平衡控制。两轮载人自平衡车在使用过程中，主要是通过采取负反馈的方式进行实现的。自平衡车在运行的过程中，当小车一旦偏离平衡点时，小车受到的回复力和位移偏离方向相同，在没有外力的情况下，小车就无法实现平衡的状态。在这种情况下，就要通过施加与回复力相反方向的力，使其在某个平衡点的力达到平衡状态。

2.速度控制。两轮载人平衡车在保持平衡的前提下，还要对速度进行控制。通常，小车的速度是通过自平衡车的倾角的大小来加以调整的。自平衡车在运动的过程中，当前倾角越大时，小车前进的速度也越快；反之，当后倾角角度越大时，前进的速度也就越慢。

3.方向控制。在两轮载人自平衡车的控制中，主要通过转向器实现对方向进行控制。在自平衡车的车体和转向杆连接处安装转向器，使用者就可通过转向器，实现对方向的控制。

二、两轮载人自平衡车姿态测量

在对两轮载人自平衡车姿态的设计中，主要是对其倾斜角度的进行测量，从而有效降低自平衡车制作成本，以达到保证两轮载人自平衡车的平衡。

（一）倾斜角测量单元硬件设计

通常，在对两轮载人自平衡车姿态测量单元硬件的设计过程中，主要是选择六轴惯性传感器MPU6050进行的，这种傳感器有效避免了陀螺仪与加速计的轴间差距问题。

六轴惯性传感器MPU6050的内部具有截止频率可变的硬件低通滤波器、FIFO缓存队列、数字运动协处理器等辅助功能，具有很强的自校准及自我检测的能力。在对自平衡车的倾斜角测量单元硬件设计过程中，可以通过400Kb/s的I2C总线接口和控制器交换数据，从而有效满足各种运动检测场合的需求。

（二）倾斜角测量单元滤波器设计

通常，在对两轮载人自平衡车倾斜角测量单元滤波器设计的过程中，主要是通过以下几种方法进行的。

1.基于四元数的陀螺仪定姿算法

基于四元数的陀螺仪定姿算法，具有旋转速度快、精度高、无奇异点等特点，其主要计算方法为：

在式（1）中， 为陀螺仪输出时的旋转角速度构成的载体坐标系下的四元数向量，且 为上一次四元数向量， 则表示四元数交叉乘运算。在计算的过程中，主要是通过对（1）式将载体坐标系的角度苏转换到绝对坐标系下，之后再对 的积分实现绝对坐标系下姿态四元数的更新。离散后的具体实现过程为：

在（3）式中，将i取值为1、2、3、4，△t则为系统采样周期。根据更新后的四元数，可获得对应的旋转矩阵，从而得出四元数表示的车体倾斜角。

2.加速度计定姿方法

三轴加速度计可直接输出载体坐标系下的三个轴向的角速度分量，根据这三个角速度分量便可直接获得横滚角和俯仰角θ，且

在对加速度计定姿计算过程中，由于加速度计容易受到高频干扰信号、以及系统运动速度的影响，在进行动态角度测量时，经常会出现误差，对自平衡车运行过程中的动态系统角度测量非常不适合。

3.自适应显性互补滤波器设计

在对两轮载人自平衡车倾斜角进行测量的时候，陀螺仪输出的角速度直接进行积分便可得到姿态角，而姿态角具有很好的动态性能，可以为相关的研究者提供瞬间的动态角度变化。另外，在计算的过程中，由于受到积分漂移和低频噪声的影响，非常不适合长时间的单独工作。而加速度计则具有良好的静态性能，可以为两轮载人自平衡车倾斜角测量研究过程中，提供出比较准确的静态角度值，但是在计算的过程中经常会受到高频干扰的影响，使得叠加系统运动的加速度增大，从而导致动态测量的误差增大。

在对自适应显性互补滤波器设计的过程中，可以将加速度计测得的数据与上次估计值之间的误差按照比例积分低通滤波，对加速度计的高频干扰能够进行有效的滤除。然后在对滤波后的加速度计测量误差对陀螺仪测量的角速度进行补偿和修正，从而将陀螺仪的积分漂移等低频干扰进行有效的滤除；最后，再采用积分求得新的最优姿态四元数。这样一来，就可以获得较好的滤波效果。

结束语

综上所述，两轮载人自平衡车作为一种代步工作，具有使用简单、节能环保、运用灵活的特点。在使用的过程中，两轮载人平衡车的速度可以通过平衡车的倾角大小进行调整。这就要求在使用的过程中，通过四元数的陀螺仪定姿算法、加速度计定姿方法、以及对自适应显性互补滤波器设计等方式，有效提升自平衡车在运行过程中的稳定性。

参考文献：

[1]傅忠云，朱海霞，孙金秋等.两轮载人自平衡车姿态测量单元设计[J].科学技术与工程，2015，15（15）：66-71.

[2]孔令勇.两轮自平衡车系统的设计与实现[D].哈尔滨理工大学，2016.

[3]刘恒.站坐两用式两轮自平衡车的设计与实现[D].华中科技大学，2015.

作者简介：

张艳萍（1983.6），女，山东济南，汉族，研究生，齐鲁理工学院，副教授，智能控制

苏敏（1983.2），女，辽宁沈阳，汉族，硕士研究生，齐鲁理工学院，副教授，检测技术与工业自动化

*课题名称：关于双轮载人自平衡车控制系统的研究编号：07qlk009endprint