无人驾驶自平衡车

冯世伟

摘 要：针对当前自平衡车体积较大，抗干扰能力差等问题，文中设计了一款无人驾驶自平衡车。该自平衡车采用基于飞轮陀螺效应的自平衡技术，以STM32F103单片机为控制核心，配合姿态传感器采集车身倾角数据，结合PID控制算法控制陀螺偏转，产生修正力，实现自平衡，同时以航模遥控器为控制平台，可实现远距离遥控，应用于山区、荒野、偏远地区及受灾地区的物资运送等。

关键词：无人驾驶；自平衡技术；PID

1 作品简介

轮式移动机器人由于其成本低、结构简单、易于控制、能量利用率高等特点而得到广泛重视。我们设计的两轮（前后排布）自平衡车采用基于飞轮陀螺效应的自平衡技术，巧妙利用陀螺效应实现自平衡。系统以STM32F103单片机为控制核心，配合姿态传感器采集车身倾角数据，结合PID控制算法，以步进电机为执行器，控制陀螺偏转，产生修正力，实现自平衡；以航模遥控器为控制平台，可实现远距离遥控，控制小车完成前进、加速、减速、转弯等动作，而陀螺效应使得本作品具有良好的抗干扰能力和较快的行驶速度。本作品主体狭长，动作灵活，适合在狭窄路径高速行驶，在复杂路况下正常行驶，可应用于山区、荒野、偏远地区及受灾地区的物资运送。由于其抗干扰能力强，操作简便，易于控制，也可应用于农产品采摘、交通运输、军事侦查等领域。实物如图1所示。

2 工作原理

2.1 陀螺效应原理

如图2所示，飞轮的自转轴为Z轴，相对自转轴的转动惯量为J0的飞轮，以角速度ω0旋转。令飞轮绕垂直于轴Z轴的偏转轴X轴以角速度ω1偏轉时，因为陀螺效应，飞轮将产生一个方向沿Y轴的力矩M：M=J0ω0ω1 ，由此可见力矩M的方向沿着Y轴正方向。以此为基本理论基础设计了自平衡两轮车系统，通过控制飞轮的偏转方向， 产生大小、方向合适的修正力矩，维持系统平衡。

2.2 单飞轮自平衡系统

飞轮在飞轮框架内由高速电机带动， 转速可达10 000 r/min 以上。偏转电机固定在外框架上，驱动飞轮框架连同飞轮发生偏转；偏转角度传感器用于检测实际偏转角度。外框架的底部与倾斜转轴固连，并能向左或向右倾斜；外框架上的姿态传感器用于测试外框架倾斜的角度及角速度。单飞轮自平衡装置的工作原理为：姿态传感器检测到外框架向左或向右倾斜的角度和角速度后，控制偏转电机带动飞轮发生相应的偏转，从而产生修正力矩，令外框架恢复到竖直状态。力学模型与平衡装置及坐标系如图3所示。

2.3 自平衡两轮车的工作原理

根据车体向左或向右倾斜的角度，控制偏转电机带动前后飞轮绕偏转轴偏转从而产生修正力矩，使车体保持竖直状态。

2.4 系统总体设计

自平衡两轮车系统以STM32F103 单片机为控制核心。通过姿态传感器采集车身的左右倾斜角度，把采集到的数据传输到单片机，单片机通过控制算法，根据输入的角度数据得出偏转电机的偏转数据，从而控制偏转电机偏转，产生修正力，使系统达到自平衡。此外，通过航模遥控器可以无线遥控两轮车的前进、加速、减速、转向等动作。

3 创新点

（1）巧妙利用陀螺效应，使小车实现自平衡，同时，由于双陀螺的设计，小车的抗干扰能力较强，在面对外部冲击的情况下依旧能够平稳高速地行驶。不仅如此，陀螺效应相比于市面上大多数自平衡车所采用的动态稳定原理抗干扰能力更强，在面对外部冲击时能更好地实现自平衡，不易受到干扰。且市面上大多数自平衡车只能在运动状态下保持平衡，而我们设计的小车由于设计原理的独特性可以在保持原地不动的情况下保持平衡。

（2）我们采用的操纵方式不同于其他利用陀螺效应的自平衡车。通过提前设定好不同程序，以远程遥控的方式来控制小车，在特殊路段行驶时采用远程控制方式可保障小车安全通过，在执行特殊任务时也可采用远程遥控的方式将所要运送的物品运送到目的地。由于小车的抗干扰能力极强，在执行任务的过程中，无需担心来自侧面的撞击导致小车失去平衡。

4 市场前景

在农业方面，该系统可以被用来帮助农业工作者采集土壤样本，采摘农产品，喷洒农药等。在交通方面，该平衡车既能够载人又能够载物。载人时，可作为一般电动车驾驶，也可让行动不便的人更好地行动；载物时，可以由人进行远程控制，将货物送到指定目的地。在军事方面，可以侦察敌情，传递信息，又可携带炸药，减少我方人员伤亡。总体来说，本自平衡车体积小，速度快，抗干扰能力强，路段适应性强，应用范围广泛。