全向移动自平衡车

金栋 宋春晓 陶一文 王轸 祁奕

摘 要：针对目前市场上平衡车产品存在的运动性能不强、应用受限等问题，文中设计了一款全向移动平车。该平衡车具有动态平衡系统与全向移动系统，以内置的精密固态陀螺仪判断车身的姿势状态，通过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达实现平衡效果。设计的全向移动自平衡车动态性良好，占地小，移动便捷，通过搭载不同的装置可应用于不同的市场领域，前景广阔。

关键词：动态平衡；全向移动

1 作品简介

1.1 全向移动平衡车控制系统——动态平衡系统

全向移动平衡车的四轮麦克纳母轮采用独立运动结构，使得其重心在支点以下，在非控制状态下为一个不稳定系统。可以利用摆钟的摆动原理，通过微处理器的控制使其能够像摆钟一样稳定在一个位置，并在平衡状态下按照使用者的指令要求正常运行。

1.2 全向移动平衡车控制系统——全向移动系统

由于45°麦克纳母轮的独特结构，该平衡车能够独立行进，横向运动，自转运动，全方位自由移动等。全新的结构衍生出全新的算法，全向移动平衡车的控制算法程序至今未有个人或组织公开声明，因此在这方面大有可为。全向移动平衡车如图1所示。

2 工作原理

自平衡车的运作主要建立在“动态稳定”基础上，即依靠车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪（MPU6050）来判断车身的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器（STM32单片机）计算出适当的指令后，驱动马达实现平衡效果，原理如图2所示。

2.1 检测系统

检测系统由精密固态陀螺仪（MPU6050）、加速度传感器，以及摄像头组成，主要用来判断车身所处的姿势状态。

2.2 控制系统

控制系统采用STM32单片机控制。控制系统接收到检测系统发出的信息后，通过精密且高速的中央微处理器（STM32单片机）计算出适当的指令，驱动马达做到平衡的效果。

2.3 执行系统

系统包括4个45°全向轮以及2个驱动马达。

2.3.1 功能实现

（1）前进与后退：4个（2组）麦克纳姆轮速度相同，旋转方向一致，均为逆时针旋转。每个轮子产生的力分别为F1，F2，F3，F4，每个力在x，y方向的分力分别为Fnx，Fny，受力分析如图3所示。每一组麦克纳姆轮产生的轴向力Fy方向相反，因为转速相等，所以轴向力Fy大小相同，相互抵消，但径向的力Fx方向相同，大小相等，实现了前进功能；后退的原理和前进一样，只是轮子的旋转方向相反。

（2）向左平移：每个轮子转速大小相同，1号麦克纳姆轮顺时针旋转，产生向左的轴向力F1y和向后的径向力F1x；2号麦克纳姆轮逆时针旋转，亦产生向左的轴向力F2y向前的径向力F2x，3号麦克纳姆轮顺时针旋转，产生向左的轴向力F3y和向后的径向力F3x；4号麦克纳姆轮逆时针旋转，亦产生向左的轴向力F4y和向前的径向力F4x。F1x和F4x产生一个力偶M1，F2x和F3x产生一个力偶M2，M1与M2方向相反，大小近似，M1>M2，但可通過调整2，3号轮子的转速校准，使得M1=M2，由此力偶矩抵消，只剩下轴向力合力Fy，实现了向左行走的功能，受力分析如图4所示。向右平移原理和向左平移一致，只是每个轮子旋转方向相反。

（3）全向移动：上述移动可总结如下：

（a）轴向力合力Fy为0；

（b）径向力Fx产生的力矩为0， 实现了直角坐标方向的移动，如果控制好两个全向轮子的转速和旋转方向，理论上可实现任意方向的移动；

（c）顺时针原地转弯：两组轮子旋转方向不同，但旋转速度一样，由受力分析可知，由于轴向力Fy合力为0，可完全抵消，而左边F1x和F2x与右边F3x和F4x形成了一组力偶，由此实现了平衡车的原地顺时针旋转。逆时针原地转弯与顺时针原地转弯原理相似。

（d）绕轴旋转：当两组轮子旋转方向与旋转速度均不同时，其轴向力Fy合力为0，完全抵消，左边F1x和F2x与右边F3x和F4x形成两个组力矩，大小不一，因此将会绕轴旋转运动。

顺时针旋转受力分析如图5所示，绕轴旋转受力分析如图6所示。

3 创新点

（1）采用麦克纳姆轮可实现全向移动，运动灵活。

（2）四轮安装采用一字线分布，空间占有量与横截面大大减小，在空间要求高的环境下（比如舰艇）相比同类产品优势突出。此外，通过某些空间狭小的环境（比如过道）时不再受运载平台尺寸的限制。

（3）机械结构创新，麦克纳姆轮与平衡车原理有机结合产生出新的结构，在弥补各自不足的同时又保留了各自的优点。

（4）控制算法创新，在原有平衡车控制算法的基础上衍生出了一套控制二维正交运动的平衡算法（目前尚未发现任何组织或个人对此公开声明）。

4 市场前景

目前市场上的平衡车产品都利用普通轮子，通过控制两轮的速度实现自平衡以及移动。移动方式分为直立、前进后退和偏航，这种平衡车结构简单，控制实现较容易，但灵活性不高，运动性能不强，无法实现全方位的快速自由移动。而全向移动车在结构上虽采用了麦克纳姆轮，可实现全方位自由移动，但受四轮结构的限制，机器占用空间较大，不利于存放与使用，同时，该平衡车无法在狭小空间内实现自由工作，应用范围具有较大的局限性。

鉴于以上两者的局限性，我们设计了一种不同于以上两者的既能实现全方位自由移动，又可在狭小特殊环境中正常工作的新型自平衡车平台。

全向自平衡车是一个不稳定性系统，但其动态性良好，且其占地小，移动便捷，利用这些特点可以实现诸多功能，应用范围较广泛。该系统可作为一种交通工具；可作为便携医疗设备；可在空间狭小的特殊环境中进行勘探检测等任务。最重要的是，它是一种全新的开发平台，通过搭载不同的装置可应用于不同的市场领域，前景广阔。