全向移動自平衡車

金棟 宋春曉 陶一文 王軫 祁奕

摘 要：針對目前市場上平衡車產品存在的運動性能不強、應用受限等問題，文中設計了一款全向移動平車。該平衡車具有動態平衡系統與全向移動系統，以內置的精密固態陀螺儀判斷車身的姿勢狀態，通過精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動馬達實現平衡效果。設計的全向移動自平衡車動態性良好，占地小，移動便捷，通過搭載不同的裝置可應用于不同的市場領域，前景廣闊。

關鍵詞：動態平衡；全向移動

1 作品簡介

1.1 全向移動平衡車控制系統——動態平衡系統

全向移動平衡車的四輪麥克納母輪采用獨立運動結構，使得其重心在支點以下，在非控制狀態下為一個不穩定系統。可以利用擺鐘的擺動原理，通過微處理器的控制使其能夠像擺鐘一樣穩定在一個位置，并在平衡狀態下按照使用者的指令要求正常運行。

1.2 全向移動平衡車控制系統——全向移動系統

由于45°麥克納母輪的獨特結構，該平衡車能夠獨立行進，橫向運動，自轉運動，全方位自由移動等。全新的結構衍生出全新的算法，全向移動平衡車的控制算法程序至今未有個人或組織公開聲明，因此在這方面大有可為。全向移動平衡車如圖1所示。

2 工作原理

自平衡車的運作主要建立在“動態穩定”基礎上，即依靠車輛本身的自動平衡能力。以內置的精密固態陀螺儀（MPU6050）來判斷車身的姿勢狀態，透過精密且高速的中央微處理器（STM32單片機）計算出適當的指令后，驅動馬達實現平衡效果，原理如圖2所示。

2.1 檢測系統

檢測系統由精密固態陀螺儀（MPU6050）、加速度傳感器，以及攝像頭組成，主要用來判斷車身所處的姿勢狀態。

2.2 控制系統

控制系統采用STM32單片機控制。控制系統接收到檢測系統發出的信息后，通過精密且高速的中央微處理器（STM32單片機）計算出適當的指令，驅動馬達做到平衡的效果。

2.3 執行系統

系統包括4個45°全向輪以及2個驅動馬達。

2.3.1 功能實現

（1）前進與后退：4個（2組）麥克納姆輪速度相同，旋轉方向一致，均為逆時針旋轉。每個輪子產生的力分別為F1，F2，F3，F4，每個力在x，y方向的分力分別為Fnx，Fny，受力分析如圖3所示。每一組麥克納姆輪產生的軸向力Fy方向相反，因為轉速相等，所以軸向力Fy大小相同，相互抵消，但徑向的力Fx方向相同，大小相等，實現了前進功能；后退的原理和前進一樣，只是輪子的旋轉方向相反。

（2）向左平移：每個輪子轉速大小相同，1號麥克納姆輪順時針旋轉，產生向左的軸向力F1y和向后的徑向力F1x；2號麥克納姆輪逆時針旋轉，亦產生向左的軸向力F2y向前的徑向力F2x，3號麥克納姆輪順時針旋轉，產生向左的軸向力F3y和向后的徑向力F3x；4號麥克納姆輪逆時針旋轉，亦產生向左的軸向力F4y和向前的徑向力F4x。F1x和F4x產生一個力偶M1，F2x和F3x產生一個力偶M2，M1與M2方向相反，大小近似，M1>M2，但可通過調整2，3號輪子的轉速校準，使得M1=M2，由此力偶矩抵消，只剩下軸向力合力Fy，實現了向左行走的功能，受力分析如圖4所示。向右平移原理和向左平移一致，只是每個輪子旋轉方向相反。

（3）全向移動：上述移動可總結如下：

（a）軸向力合力Fy為0；

（b）徑向力Fx產生的力矩為0， 實現了直角坐標方向的移動，如果控制好兩個全向輪子的轉速和旋轉方向，理論上可實現任意方向的移動；

（c）順時針原地轉彎：兩組輪子旋轉方向不同，但旋轉速度一樣，由受力分析可知，由于軸向力Fy合力為0，可完全抵消，而左邊F1x和F2x與右邊F3x和F4x形成了一組力偶，由此實現了平衡車的原地順時針旋轉。逆時針原地轉彎與順時針原地轉彎原理相似。

（d）繞軸旋轉：當兩組輪子旋轉方向與旋轉速度均不同時，其軸向力Fy合力為0，完全抵消，左邊F1x和F2x與右邊F3x和F4x形成兩個組力矩，大小不一，因此將會繞軸旋轉運動。

順時針旋轉受力分析如圖5所示，繞軸旋轉受力分析如圖6所示。

3 創新點

（1）采用麥克納姆輪可實現全向移動，運動靈活。

（2）四輪安裝采用一字線分布，空間占有量與橫截面大大減小，在空間要求高的環境下（比如艦艇）相比同類產品優勢突出。此外，通過某些空間狹小的環境（比如過道）時不再受運載平臺尺寸的限制。

（3）機械結構創新，麥克納姆輪與平衡車原理有機結合產生出新的結構，在彌補各自不足的同時又保留了各自的優點。

（4）控制算法創新，在原有平衡車控制算法的基礎上衍生出了一套控制二維正交運動的平衡算法（目前尚未發現任何組織或個人對此公開聲明）。

4 市場前景

目前市場上的平衡車產品都利用普通輪子，通過控制兩輪的速度實現自平衡以及移動。移動方式分為直立、前進后退和偏航，這種平衡車結構簡單，控制實現較容易，但靈活性不高，運動性能不強，無法實現全方位的快速自由移動。而全向移動車在結構上雖采用了麥克納姆輪，可實現全方位自由移動，但受四輪結構的限制，機器占用空間較大，不利于存放與使用，同時，該平衡車無法在狹小空間內實現自由工作，應用范圍具有較大的局限性。

鑒于以上兩者的局限性，我們設計了一種不同于以上兩者的既能實現全方位自由移動，又可在狹小特殊環境中正常工作的新型自平衡車平臺。

全向自平衡車是一個不穩定性系統，但其動態性良好，且其占地小，移動便捷，利用這些特點可以實現諸多功能，應用范圍較廣泛。該系統可作為一種交通工具；可作為便攜醫療設備；可在空間狹小的特殊環境中進行勘探檢測等任務。最重要的是，它是一種全新的開發平臺，通過搭載不同的裝置可應用于不同的市場領域，前景廣闊。