基于射频收发系统的观光双轮电动平衡车
基于射频收发系统的观光双轮电动平衡车
1.绪论
1.1 电动平衡车概述
自平衡电动也叫电动平衡车、体感车等，自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上[1]，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-State Gyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大有不同。
自平衡电动车是新一代的节能、环保、便携的代步工具，可以代替公交和地铁，短途代步非常方便。在环境污染日益严重的背景下，作为一种新型环保的代步工具，可以有效地缓解资源消耗和空气污染。
1.2 电动平衡车工作原理
由于的自平衡电动车两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程[2]。
对于人而言，当人体的重心向前倾斜并失去平衡时，人通过自身的感觉器官能够察觉到自己身体的倾斜（角度），于是他会做出一个反应——向前迈出一步来防止自己摔倒在地上。如果身体一直前倾，为了保持平衡，人就会一步又一步地往前走。因此，如果将两个由电机驱动的车轮看成人的双腿，再加上能够测量车体相对于水平面倾角大小和速度的传感器，最后通过微处理器的控制便能够实现车体自平衡的效果。因而当人站在车上时，只要将身体带动车体一起往前倾（或后倾）就可以实现电动车载人前进（或后退）。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
1986 年，日本 Electro-Communications 大学的 Kazuo Yamafuji 教授，设计并制造了一种自主站立机器人。该机器人在机械结构上没有位于底部的平衡台，控制电路和驱动电路均安装在机器人顶部；其倾角检测机构是一个固定在轮子上与导轨相接触的小杠杆。因此它只能在固定轨道前行，无法实现转弯、路径规划和避障等功能。虽然受到当时计算机和传感器技术发展的限制，该项技术并未得到应有的重视，但这一理念却被公认为自平衡式两轮电动车概念的起源[3]。如图1-1。
图1-1 第一台平衡车
2002 年，瑞士联邦工业大学工业电子实验室的Felix Grasser等人研制出应用 DSP 控制器且可进行遥控操作的两轮移动机器人Joe，如图1-2所示。这台机器人高65cm，重12kg，最大运动速度可以达到1.5m/s，超过了人的行走速度。采用陀螺仪及电机编码器作为传感器来获得机器人倾斜姿态和运动状态信息。它的两轮采取平行同轴布置，各使用一个直流电机驱动，因此能稳定地做U型转弯和零半径回转。这一模型被认为是自平衡两轮电动车的雏形[4]。
图1-2 两轮移动机器人Joe 图1-3 Segway
2002年，美国 Segway LLC 公司的 Dean Kamen 发明了世界上第一部自平衡式两轮交通工具 Segway，如图 1-3所示。Segway 靠改变车身的重心位置使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，通过电机运转保持车身的动态平衡。Segway 采用了带整体磁性反馈装置的冗余集成直流无刷伺服电机作为动力驱动，应用 5 个惯性陀螺仪、2 个倾角计、斜坡感应器及一些光学传感器作为运动状态监测装置，速度可达到 27km/h。它没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘，外形小巧、运动灵活，与驾乘者如影随形。Segway的出现在全世界引起了极大轰动，充分展示了自平衡式两轮电动车行走的灵活性和实用性，引发了人们对未来交通革命的关注。
2010 年 3 月 24 日，通用汽车在上海首发了以 PUMA 为基础、融合电气化和车联网两大技术的双人座EN-V 电动联网概念车（Electric Ne worked-Vehicle），如图 1-4所示。该车时速可达 40km/h，充电一次可行驶 40km，重量为400kg，车身体积1.5m×1.435m×1.64m，自身携带 3 个 GPS 可实现精确定位。车身以电机拖动以实现在平台上的前后滑动，从而改变车身重心位置。EN-V 是通用汽车对未来城市个人交通的最新解决方案，可使未来城市交通实现零油耗、零排放、零堵塞和零事故。
图1-4 Electric Ne worked-Vehicle
1.3.2 国内研究现状
我国在此领域的研究也取得了一定的成果。
2004 年，台湾国立中央大学的研究人员利用模糊控制实现了两轮小车的自平衡控制。
同年，河南科技大学研制出了平衡车样机。采用微硅 MEMS 陀螺仪和倾角计组合的方式来检测车体姿态，同时采用电机编码器来采集车速状态。控制器采用C8051F020 单片机，经过控制算法得到控制信号，经 D/A 转换后驱动左右电机，以保持平衡。
2005 年，中国科学技术大学研制出了有一定可用性的两轮自平衡代步车电动车。它同样采用左右并行布置两轮的结构，并能搭载一名驾驶者在较好的路况上进行自平衡式的移动。车体平衡有嵌入其中的处理器进行控制，控制器采集陀螺仪、加速度计、速度传感器的信息，通过特定的控制算法计算驱动电机所需的 PWM控制信号，以此来产生左右电机的转矩，使车体平衡。
2 平衡车系统的总体设计
本文所设计的电动车主要包含以下几个部分：机械结构的设计、平衡控制系统的设计、人机交互系统的设计。其中人机交互系统又包含智能语音系统的设计、射频识别系统的设计、导航系统的设计、界面显示系统的设计。如图2-1。
1.绪论
1.1 电动平衡车概述
自平衡电动也叫电动平衡车、体感车等，自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上[1]，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-State Gyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大有不同。
自平衡电动车是新一代的节能、环保、便携的代步工具，可以代替公交和地铁，短途代步非常方便。在环境污染日益严重的背景下，作为一种新型环保的代步工具，可以有效地缓解资源消耗和空气污染。
1.2 电动平衡车工作原理
由于的自平衡电动车两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程[2]。
对于人而言，当人体的重心向前倾斜并失去平衡时，人通过自身的感觉器官能够察觉到自己身体的倾斜（角度），于是他会做出一个反应——向前迈出一步来防止自己摔倒在地上。如果身体一直前倾，为了保持平衡，人就会一步又一步地往前走。因此，如果将两个由电机驱动的车轮看成人的双腿，再加上能够测量车体相对于水平面倾角大小和速度的传感器，最后通过微处理器的控制便能够实现车体自平衡的效果。因而当人站在车上时，只要将身体带动车体一起往前倾（或后倾）就可以实现电动车载人前进（或后退）。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
1986 年，日本 Electro-Communications 大学的 Kazuo Yamafuji 教授，设计并制造了一种自主站立机器人。该机器人在机械结构上没有位于底部的平衡台，控制电路和驱动电路均安装在机器人顶部；其倾角检测机构是一个固定在轮子上与导轨相接触的小杠杆。因此它只能在固定轨道前行，无法实现转弯、路径规划和避障等功能。虽然受到当时计算机和传感器技术发展的限制，该项技术并未得到应有的重视，但这一理念却被公认为自平衡式两轮电动车概念的起源[3]。如图1-1。
图1-1 第一台平衡车
2002 年，瑞士联邦工业大学工业电子实验室的Felix Grasser等人研制出应用 DSP 控制器且可进行遥控操作的两轮移动机器人Joe，如图1-2所示。这台机器人高65cm，重12kg，最大运动速度可以达到1.5m/s，超过了人的行走速度。采用陀螺仪及电机编码器作为传感器来获得机器人倾斜姿态和运动状态信息。它的两轮采取平行同轴布置，各使用一个直流电机驱动，因此能稳定地做U型转弯和零半径回转。这一模型被认为是自平衡两轮电动车的雏形[4]。
图1-2 两轮移动机器人Joe 图1-3 Segway
2002年，美国 Segway LLC 公司的 Dean Kamen 发明了世界上第一部自平衡式两轮交通工具 Segway，如图 1-3所示。Segway 靠改变车身的重心位置使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，通过电机运转保持车身的动态平衡。Segway 采用了带整体磁性反馈装置的冗余集成直流无刷伺服电机作为动力驱动，应用 5 个惯性陀螺仪、2 个倾角计、斜坡感应器及一些光学传感器作为运动状态监测装置，速度可达到 27km/h。它没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘，外形小巧、运动灵活，与驾乘者如影随形。Segway的出现在全世界引起了极大轰动，充分展示了自平衡式两轮电动车行走的灵活性和实用性，引发了人们对未来交通革命的关注。
2010 年 3 月 24 日，通用汽车在上海首发了以 PUMA 为基础、融合电气化和车联网两大技术的双人座EN-V 电动联网概念车（Electric Ne worked-Vehicle），如图 1-4所示。该车时速可达 40km/h，充电一次可行驶 40km，重量为400kg，车身体积1.5m×1.435m×1.64m，自身携带 3 个 GPS 可实现精确定位。车身以电机拖动以实现在平台上的前后滑动，从而改变车身重心位置。EN-V 是通用汽车对未来城市个人交通的最新解决方案，可使未来城市交通实现零油耗、零排放、零堵塞和零事故。
图1-4 Electric Ne worked-Vehicle
1.3.2 国内研究现状
我国在此领域的研究也取得了一定的成果。
2004 年，台湾国立中央大学的研究人员利用模糊控制实现了两轮小车的自平衡控制。
同年，河南科技大学研制出了平衡车样机。采用微硅 MEMS 陀螺仪和倾角计组合的方式来检测车体姿态，同时采用电机编码器来采集车速状态。控制器采用C8051F020 单片机，经过控制算法得到控制信号，经 D/A 转换后驱动左右电机，以保持平衡。
2005 年，中国科学技术大学研制出了有一定可用性的两轮自平衡代步车电动车。它同样采用左右并行布置两轮的结构，并能搭载一名驾驶者在较好的路况上进行自平衡式的移动。车体平衡有嵌入其中的处理器进行控制，控制器采集陀螺仪、加速度计、速度传感器的信息，通过特定的控制算法计算驱动电机所需的 PWM控制信号，以此来产生左右电机的转矩，使车体平衡。
2 平衡车系统的总体设计
本文所设计的电动车主要包含以下几个部分：机械结构的设计、平衡控制系统的设计、人机交互系统的设计。其中人机交互系统又包含智能语音系统的设计、射频识别系统的设计、导航系统的设计、界面显示系统的设计。如图2-1。
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