PVC-Robot【9号】忐忑者·自平衡双轮小车

文号t35030

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pvcbot2011/07/19电子技术 IP:加拿大

　　前面的机器人项目以太阳能为动力的占多数，玩的话要么是大白天还要等出太阳，要么还要自己点个大灯泡，现在我们换种类型调剂一下，做一个特别一点的机器人——自平衡双轮小车。本项目只有一个简单的电学电路，依靠一个简易的反馈机构，却实现了被称之为高技术难度的自平衡小车。

　　本项目自平衡双轮小车的原理，其实就是靠小车前后来回运动保持平衡，原来考虑“来来回回”文艺一点可以称为“徘徊”，但是后来某网友看完视频之后有一给力的评语——忐忑，加上这也是近来网络流行语，同时也确实能够反映实际运行效果时那种焦躁不安的感觉，所以最后定名为“忐忑者”，哈哈。
　　本项目机器人共有两个版本，以下是视频效果，由于采用的简单机械式的反馈机构而精度不足，总体效果来说不是太理想，但作为阐述自平衡车原理的一个范例，还是有一定积极意义的。
点击此处查看视频

一、基本原理
　　本项目机器人是一辆简易型的双轮自主平衡小车，通过一个简单的机械式传感器获取小车的姿态，并通过调节小车前后运动方向，使得小车依靠两轮也能保持一个直立平衡。

1、运动机理
　　双轮小车的自主平衡原理，其实就是不断的通过改变小车前后运动的方向，使小车的车身在竖直方向上保持一个动态的直立平衡。就类似杂技演员表演独轮车一样，需要不断的前后踩脚踏板使小车在前进和后退间不断变换，以保持一个平衡。

　　这个具体的平衡原理如下：
　　1、双轮自平衡小车一般长得都比较“高”，也就是重心位置比较高，位于车身底部的两个车轮是平行安装的，默认静止状态小车是无法保持一个直立的状态的。
　　2、如果车轮带动小车前进，小车下半身会比上半身先获得前进的加速度，即启动的瞬间小车的下半身前进而上半身静止，则会出现小车趋向后仰的状态。就类似汽车突然加速，我们身体会感到一个后仰的趋势。
　　3、如果车轮带动小车后退，小车下半身会比上半身先获得后退的加速度，即启动的瞬间小车的下半身后退而上半身静止，则会出现小车趋向前倾的状态。就类似汽车突然刹车（后退），我们身体会有一个前倾的趋势。
　　4、由于小车重心较高，如果小车前进--后仰，或者小车后退--前倾，随着小车的继续运动，这个后仰或者前倾的趋势会越来越大，必须及时纠正，否则小车就会倾倒下去。
　　5、如果小车前进中，有了后仰的趋势，达到一定程度后，可以让小车变成后退，让小车后退产生的前倾趋势去纠正原来前进时后仰的趋势；如果小车后退中，有了前倾的趋势，达到一定程度后，让小车变成前进，让小车前进产生的后仰趋势去纠正原来后退时前倾的趋势。如此往复循环，使小车保持一个直立的动态平衡状态。

2、控制原理
　　根据以上平衡原理，我们的双轮自平衡小车的具体运动控制过程如下：
　　1、车身后仰，则让小车后退，车身恢复直立；
　　2、小车继续后退，车身又会前倾；
　　3、车身前倾，则让小车前进，车身恢复直立；
　　4、小车继续前进，车身又会后仰；
　　5、重复以上第1步……

常见的姿态控制机制

　　可以用于自平衡小车的姿态反馈机构有多种：
　　1、性能最好也是最复杂的算是用专业的姿态传感器——角度传感器，再辅以加速度传感器，可以精确的探知平衡小车的准确姿态。
　　2、可以利用光反射器件，把光线对着地面照射，探测反射光线的强度可以获知小车的姿态，因为不同的姿态下倾斜角是不同的，反射回来的光线强度也是不同的。

　　以上是两种最常见的自平衡小车的姿态反馈机构。利用这些反馈机构，在获得较为精确的姿态信息之后，都必须有能够进行复杂计算和智能决策的控制系统对反馈的信息进行处理，这通常多需要用到微处理芯片（也就是单片机），关于这个我们这里暂不展开讨论，有兴趣的朋友可以自己在网上查找相关资料。

本项目所采用的姿态控制机制 　　双轮自平衡小车其实是一种技术难度比较高的项目，从以上所提到的姿态反馈机构就可见一斑。在这里我们并不需要一下子涉入过深，现阶段的目标还是主要以通过简单可行的方式了解基本的原理即可。所以在本项目里，我们没有应用复杂的反馈机构，而是用了一个简易的机械式的传感器——限位开关，并结合特殊的控制电路，用一个非常简单的方式实现小车的自平衡控制：

　　1、在小车后部安装了一个限位开关，这个限位开关就和我们在 PVC-Robot 1号所应用的碰撞开关是一样的，其实就是一个“微动触碰开关”，当用在碰撞控制的时候被称为“碰撞开关”，在用在限制位置的时候被称为“限位开关”。
　　2、在本项目里，为了简单起见，我们的限位开关只有在小车前进导致后仰时进行姿态的反馈控制，而对于后退导致前倾时并没有再加上姿态的反馈控制。
　　对于后退运动，我们是利用限位开关所具有的机械延时特性，也就是说机械式的触点状态改变不是即时的，而会有一个短暂的时间：在限位开关触发控制小车后退，到完全纠正后仰状态让限位开关放弃触发重新控制小车前进，这中间的一段很短暂的时间，也就是允许小车后退运动的时限来控制后退时的姿态。
　　相当于说小车后退我们不是探测其姿态，而是限制一个时间——小车后退到了这个时间后姿态也正好到了要调整的时候。这和 PVC-Robot 1号是类似的，在1号机器人中是探测到小车碰到障碍物，然后利用碰撞开关的机械延时特性给小车一段转向时间，这个转向时间是正好足够小车改变方向的。

　　总的来说，小车前进的姿态我们是用机械传感器进行控制，而小车后退的姿态我们是用了限时运动的方式进行控制。
　　具体过程如下：
　　1、小车电源接通后，限位开关没有被触发的状态下，电机正方向转动小车前进。
　　2、小车前进，导致后仰。当小车后仰角度达到一定程度，限位开关的限位触点碰地，触发限位开关改变电机的电流方向，电机反转小车变为后退。
　　3、小车后退，后仰状态被纠正后，限位开关虽然停止触发，但由于机械特性并没有马上完成复位，而且是让小车继续后退一小段时间；小车继续后退逐步呈现前倾状态，限位开关完成复位，小车自动变为前进状态，开始进行前倾状态的纠正。
　　4、小车前进，纠正了前倾状态后，随着小车继续前进小车又会呈后仰趋势；然后重复以上第2步，周而复始不断循环下去。