基于Arduino 平台的自平衡二轮排爆车

惠易佳　姜　羡　朱再强

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212000）

【摘　要】本文论述了一种基于Arduino平台的自平衡二轮排爆设备，并利用MATLAB软件对所建模型进行仿真。运用自动控制原理设计姿态、运动闭环控制系统的控制器以及控制参数的整定等方法，来实现其控制方面的建模。

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关键词 Arduino平台；自平衡；仿真

两轮自平衡机器人系统是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统, 它实际上是一个可以行走的一级倒立摆。两轮自平衡机器人由于为欠驱动系统, 运动学方程不能完整地描述系统的行为, 并且此时系统为不可控, 要解决两轮自平衡机器人系统的平衡问题就必须考虑动力学对它的影响。

西安电子科技大学研究出了自平衡两轮小车，它是由一种两轮式左右并行布置机构的自平衡系统。他选择两个Maxson电机作为执行元件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行控制，从而实现系统的自平衡。

Arduino目前主要运用于飞行控制方面，我们阅读其内部封装的程序语言，并在理解的基础上实现自由运用，将其移植在二轮自平衡小车上。利用MATLAB进行仿真，为其实现具体功能进行控制方面的建模，运用自动控制原理设计姿态、运动闭环控制系统的控制器以及控制参数的整定。

本文所述小车运用Arduino平台对二轮平衡车实现运动姿态的控制，以实现二轮小车的自动平衡功能，并在此基础上增加障碍避让，定点定航等功能，开发出基于Arduino平台的二轮平衡排爆车。

对于小车控制器的原理，我们运用的方法是控制系统反馈状态为小车的倾角、角速率、位移和轮速，四个量的检算则是由陀螺仪和、速度计和电机编码器完成。在此系统中，由输入矩阵和状态矩阵，施加给被控对象的力矩根据，在控制程序中将力矩转化为转速，即PWM值。

利用四个状态量组成负反馈，记反馈增益为K，在下文计算得出。

为了对理论的出的结论进行更好的仿真，我们借助MATLAB强大的数学计算，利用极点配置方法计算反馈增益，同时通过Simulink仿真的方式比较不同极点下，小车的动态性能和稳态性能，以此为小车选择相对较优的平衡参数。

采用极点配置法，取期望极点为P1=（-9+18×j-9-18×j-10-20），利用MATLAB中的place、acker等函数，计算得出K=acker（A，B，P）=（）。带入Simulink中可得如图仿真结果，结果如图。

通过MATLAB仿真，我们可以看出：靠近原点的极点，K值小，曲线收敛速度慢，小车的动态性能不足，但是波动较小，产生超调量较小，不会引起小车的不稳定。

目前二轮平衡车仅用于载人代步工具，我们的项目是一种对二轮平衡小车新的开发方向，为后期的新思路，新创意积累宝贵经验。特别是将二轮平衡小车用于排爆，其具有占地面积小，高度可调节，适用性好，成本低，安全可靠，再开发潜力大等特点，灵活机动，可以做不同动作，适应于排爆时的复杂条件，具有非常巨大的实用价值。

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参考文献

［１］杨继志,郭敬.Arduino的互动产品平台创新设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012,4.

［２］蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，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.

［责任编辑：薛俊歌］