直立行車的參考設(shè)計(jì)方案詳細(xì)資料說明

　　為了提高全國大學(xué)生智能汽車競賽創(chuàng)新性和趣味性，激發(fā)高校學(xué)生參與比賽的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和接受挑戰(zhàn)能力，智能汽車競賽組委會(huì)將電磁組比賽規(guī)定為車模直立行走（如圖1.1 所示），其它兩個(gè)組別的車模行走方式保持不變。

　　車模直立行走比賽是要求仿照兩輪自平衡電動(dòng)車的行進(jìn)模式，讓車模以兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行直立行走。近年來，兩輪自平衡電動(dòng)車以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應(yīng)的產(chǎn)品。在電磁組比賽中，利用了原來C 型車模雙后輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡行走。相對于傳統(tǒng)的四輪行走的車模競賽模式，車模直立行走在車體檢測、控制算法等方面提出了更高的要求。為了能夠幫助參賽同學(xué)盡快制作車模參加比賽，競賽秘書處編寫了C 型車模直立行走的參考設(shè)計(jì)方案。參賽隊(duì)員可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)硬件和軟件方案，提高競賽水平。

　　為了適應(yīng)初學(xué)者，方案介紹過程中，盡可能減少公式推導(dǎo)，使用通俗科學(xué)的語言介紹控制原理和方法，給出C 型車模制作過程中的核心環(huán)節(jié)。本文的主要內(nèi)容如圖1.2 所示。

　　電磁組比賽要求車模在直立的狀態(tài)下以兩個(gè)輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車?？刂迫蝿?wù)更為復(fù)雜。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復(fù)雜的問題分解成簡單的問題進(jìn)行討論。為了分析方便，根據(jù)比賽規(guī)則，假設(shè)維持車模直立、運(yùn)行的動(dòng)力都來自于車模的兩個(gè)后車輪，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此從控制角度來看，由控制車模兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及速度實(shí)現(xiàn)對車模的控制。車模運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以分解成以下三個(gè)基本任務(wù)：

　?。?） 控制車模直立：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持車模直立狀態(tài)；

　?。?） 控制車模速度：通過控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速速度實(shí)現(xiàn)車模行進(jìn)控制；

　?。?） 控制車模轉(zhuǎn)向：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。

　　以上三個(gè)任務(wù)都是通過控制車模兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的?？梢约僭O(shè)車模的電機(jī)可以虛擬地被拆解成三個(gè)不同功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進(jìn)行走、左右轉(zhuǎn)向，如圖2.1 所示。

　　直流電機(jī)的力矩最終來自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的電流。因此只要電機(jī)處于線性狀態(tài)，上述拆解可以等效成三種不同控制目標(biāo)的電壓疊加之后，施加在電機(jī)上。

　　在上述三個(gè)任務(wù)中保持車模直立是關(guān)鍵。由于車模同時(shí)受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個(gè)控制就成為它的干擾。因此在速度、方向控制的時(shí)候，應(yīng)該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。三者之間的配合如圖2.2 所示。

　　上述三個(gè)控制各自獨(dú)立進(jìn)行控制，它們各自假設(shè)其它兩個(gè)控制都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如速度控制時(shí)，假設(shè)車模已經(jīng)在直立控制下保持了直立穩(wěn)定，通過改變電機(jī)的電壓控制車模加速和減速。車模在加速和減速的時(shí)候，直立控制一直在起作用，它會(huì)自動(dòng)改變車模的傾角，移動(dòng)車模的重心，使得車模實(shí)現(xiàn)加速和減速。

　　下面分別討論三個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理。