平衡車助教系統分析

侯立業 姜德財 魏強 耿欣 李姿 沈陽工學院信息學院

平衡車助教系統分析

侯立業 姜德財 魏強 耿欣 李姿 沈陽工學院信息學院

隨著自然科學的發展，計算機已經成為各學科的使用工具；而用來信息采集的傳感器更是前提。而在傳統的課堂中，學生只能從書本上看到傳感器，和實驗平臺上較老式的各類傳感器；而平衡車助教系統是以現今市場上比較流行的兩輪平衡車作為平臺，將各類學科前沿的成果、各類新式傳感器及相應校正控制電路與平衡車系統加以融合，實現用平衡車教學、平衡車輔助、平衡車與學科前沿傳感器結合，實現學以致用的目的。

設計分析 卡爾曼濾波 加速度計 平衡車系統

平衡車系統，是現今流行的代步工具；同時也是一個典型的靜不穩定系統。使用各類傳感采集技術與各類濾波算法是使其穩定的關鍵；而這種自動控制理論的思想就與數據采集、傳感器技術、電子技術、微機原理等課程有很大的相關性。在課堂上使用平衡車作為實驗平臺、作為訓練平臺來教學來把理論和實際結合是極好的。

1 助教系統的分析

1.1 多感官的智能傳感器的應用

智能機器人是工業化智能化的體現，也是科學造福生活的例子。許多工廠、高級餐廳等已經使用無人搬運小車（AGV）來代替傳統的人力。AGV機器人通過設定好的路線，做出人們設計出的相應行為動作。而隨著工業化的發展，環境問題也是日益顯現，如空氣的濕度、溫度、二氧化碳的置酸雨程度、可吸入顆粒物PM2．5等都與人們的生活息息相關，更是直接的影響了人們的健康。平衡車平臺上的高精度多軸加速度計陀螺儀更是與民用飛行器相關。圖像信息的采集并編碼以數字化傳輸，DSP的數字處理等于前沿的傳感器與生活的連接性很強，與之相關的傳感器采集信號的濾波、平衡車系統自平衡控制的PID參數的整定、判斷、設置、實驗場地環境圖像提取、場地中周邊賽道形式的識別及小車轉向的控制、角度閉環和速度閉環的相互之間協調等都值得分析。故一個多感官的智能助教平臺是理論和實際結合的典型。以平衡車為基礎的助教系統應此而生。將靜不平衡系統與各類智能傳感器相結合正是典型的應用。

1.2 平衡車系統與助教的融合

基于課堂上體感交互的助教理念和理論與實際相結合的例子，平衡車助教系統的操控和理論與實際印證是主要的設計點；平衡車的設計原理是利用平衡車內部的加速度計和電子陀螺儀傳感器來檢測自身是否達到平衡狀態，為了加強平衡車系統的助教契合性更是在平衡車助教系統上加裝上各類前沿的傳感器來達到與課堂上的信息采集等理論結合的實際項目試驗。車體的各類功能采用模塊化設計，所以大大的提高了助教系統的實用性、靈活性、便捷性。除此之外，通過手機APP將歷次的實驗數據加以記錄與控制可以讓實驗更具有宏觀性。將自平衡車平臺與人機體感交互傳感器采集技術助教功能結合在一起，以課堂理論實踐為核心，分析理論知識下的自平衡車創新設計方法，以構建自平衡車多層次多感官信息采集體感互動為設計目的。平衡車系統是當今流行的成熟實用系統，其系統的架構簡單易學是課堂教學的生動例子；助教是輔助教學的手段也是理論學習之外的實踐，如果助教的環節是成熟的典型的易于學習的相信對于課堂上的學生而言也是易于接受的。

2 結束語

文本根據現今高校課堂上助教的設備以及“理實結合”的理念，對當前平衡車發展的現狀以及其相應的優點加以分析并將其與助教加以結合。在設計方面主要以課堂理論與項目實際的體統與學生的體感交互相結合，利用車體內部的陀螺儀和加速度傳感器，來檢測車體姿態的變化，并利用伺服控制系統，精確地驅動電機進行相應的調整，以保持系統的平衡。助教平衡車既有信息采集、傳感器技術也有伺服電機的控制與驅動，控制系統的架構思想利用APP與終端設備加以通信并記錄實驗數據分析等；但在平衡車助教系統中，它的與學生之間的體感交互上、系統的易操作問題、用戶的可用性上都還有待提高。綜上，平衡車助教系統的前景很好，非常適合于教學輔助，值得推廣。

[1]徐國華，譚民.移動機器人的發展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用，2001，14(3)：7-14.

[2]羅冰洋，陳苗．基于Android 平臺汽車監測與診斷終端［J］.計算機系統應用，2016，5(2):263－267.

[3]李海濤．基于QNX的車機藍牙無線監控系統［J］.電子技術應用，2014，40(2):115－121.

[4]張偉民，段曉明，趙艷花．兩輪自平衡小車控制研究［J］．自動化技術與應用，2011，30(4):10－13.

[5]劉金琨，智能控制.北京：電子工業出版社，2005:1-2.

侯立業、姜德才、魏強：沈陽工學院信息與控制學院自動化專業、軌道交通信號控制專業、建筑電氣與智能化專業學生，研究方向機器人技術；耿欣：（1981-），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士研究生，研究方向機器人技術；李姿（通訊作者）：（1982-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士研究生，現從事電氣工程及其自動化方向理論課程講授。