基于Arduino平臺的自平衡二輪排爆車

惠易佳 姜 羨 朱再強

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212000）

兩輪自平衡機器人系統是一個高階次、不穩定、多變量、非線性、強耦合的系統,它實際上是一個可以行走的一級倒立擺。兩輪自平衡機器人由于為欠驅動系統,運動學方程不能完整地描述系統的行為,并且此時系統為不可控,要解決兩輪自平衡機器人系統的平衡問題就必須考慮動力學對它的影響。

西安電子科技大學研究出了自平衡兩輪小車，它是由一種兩輪式左右并行布置機構的自平衡系統。他選擇兩個Maxson電機作為執行元件，采用自適應神經模糊控制器對小車這一非線性對象進行控制，從而實現系統的自平衡。

Arduino目前主要運用于飛行控制方面，我們閱讀其內部封裝的程序語言，并在理解的基礎上實現自由運用，將其移植在二輪自平衡小車上。利用MATLAB進行仿真，為其實現具體功能進行控制方面的建模，運用自動控制原理設計姿態、運動閉環控制系統的控制器以及控制參數的整定。

本文所述小車運用Arduino平臺對二輪平衡車實現運動姿態的控制，以實現二輪小車的自動平衡功能，并在此基礎上增加障礙避讓，定點定航等功能，開發出基于Arduino平臺的二輪平衡排爆車。

對于小車控制器的原理，我們運用的方法是控制系統反饋狀態為小車的傾角、角速率、位移和輪速，四個量的檢算則是由陀螺儀和、速度計和電機編碼器完成。在此系統中，由輸入矩陣和狀態矩陣，施加給被控對象的力矩根據在控制程序中將力矩轉化為轉速，即PWM值。

利用四個狀態量組成負反饋，記反饋增益為K，在下文計算得出。

為了對理論的出的結論進行更好的仿真，我們借助MATLAB強大的數學計算，利用極點配置方法計算反饋增益，同時通過Simulink仿真的方式比較不同極點下，小車的動態性能和穩態性能，以此為小車選擇相對較優的平衡參數。

采用極點配置法， 取期望極點為 P1=（-9+18×j-9-18×j-10-20），利用 MATLAB 中的 place、acker等函數，計算得出 K=acker（A，B，P）=（）。帶入Simulink中可得如圖仿真結果，結果如圖。

通過MATLAB仿真，我們可以看出：靠近原點的極點，K值小，曲線收斂速度慢，小車的動態性能不足，但是波動較小，產生超調量較小，不會引起小車的不穩定。

目前二輪平衡車僅用于載人代步工具，我們的項目是一種對二輪平衡小車新的開發方向，為后期的新思路，新創意積累寶貴經驗。特別是將二輪平衡小車用于排爆，其具有占地面積小，高度可調節，適用性好，成本低，安全可靠，再開發潛力大等特點，靈活機動，可以做不同動作，適應于排爆時的復雜條件，具有非常巨大的實用價值。

［1］楊繼志,郭敬.Arduino的互動產品平臺創新設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012,4.

［2］蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012(16).

［3］K.C.Chang and O.Khatib.Operational space dynamics:E?cient algorithms for mod-eling and control of branching mechanisms[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.April 2000.