电单车的平衡运动控制研究

蒋鑫源，李以卓，朱磬鼎，沈世斌

（南京师范大学 电气与自动化工程学院，江苏南京，210046）

0 引言

电动自行车作为一种交通工具，有着价格便宜，体积小巧，节能环保等特点，因此被广泛的运用于城市短距离交通[1]。合理的电单车平衡方案不仅能提高使用人在驾驶电单车时的安全性，还能够为电单车自主巡航提供可能，在人工智能和5G物联网引领的时代有广泛的运用前景。结合共享单车可以提供电单车自动寻找用户，自动定点还车，人车跟随等功能。与此同时，类似于电单车这种前后两轮控制的轮式机器人是机器人研究中的一个重要分支，它环境适应性强，能量利用率高，具有很高的实用价值。

国内许多学者开展了平衡电单车的研究和设计工作。现有的自平衡方案主要分为两类：（1）以惯量轮为平衡元件，利用角动量守恒原理实现电单车自平衡[2]；（2）根据电单车自身的结构特性，基于PID控制电单车实现平衡[3]。方案基于PID控制实现电单车自平衡。设计以STC8为主控芯片，主要由车体，电磁传感器，车体姿态传感器，平衡运动控制，能源动力五个部分组成。较之已有的电单车自平衡方案有两个突出优点。一是结构小巧简单，省去了惯量轮这样的机械装置；二是价格便宜，采用STC8作为主控芯片，ICM20602为车体姿态传感器，S3010舵机实现平衡的同时控制转向，整体平衡方案造价便宜。方案在以上两个优点的基础上，成功实现了电单车的自平衡与循迹，运行精准，响应快速。

1 电单车平衡原理

电单车是一种欠驱动系统，输入的独立控制变量个数少于系统本身的自由度个数，因此有节约能量，造价低，系统灵活度高的特点[4]。一个静止的电单车相当于一维的倒立摆，其自身是一个不稳定系统，只要偏离平衡位置，就会产生重力分力使其更加偏离平衡位置，这样偏差就会越来越大。因此为了使电单车平衡，需要有另一个力来平衡重力分力。

如图1所示，当电单车向左倾倒时，使电单车作向左转的圆周运动，车身需要重力分力提供向心力，当所需向心力大于车身的重力分力时，产生的离心力就会使车身作离心运动，使车身向预定位置回正。

图1 电单车左转时受力示意图

G为电单车重力；F为电单车作圆周运动产生的离心力；V为电单车运动方向；T为电单车产生的力矩。

由此可见，当电单车偏离平衡位置时，例如倒向左边，则只要使小车向左转向，即舵机控制车把向左打方向，就可以利用产生的离心力将电单车拉回平衡位置。

2 自平衡系统总体方案设计

自平衡控制系统由主控制器，姿态检测模块，直流电机驱动及带编码器的直流电机，舵机，电磁传感等模块组成。其系统总体结构框图如图2所示。

图2 系统总体结构框图

主控制器模块选用STC8H8K64作为主控芯片，是控制系统的核心，其中包括复位电路、时钟电路、串口通讯电路，并且输出两路PWM信号来分别控制舵机转向以及电机转动。该模块的主要功能是接受姿态传感器，直流电机编码器和电磁传感器的反馈数据，对数据进行处理及运算，最后将控制信号输出给舵机和直流电机驱动模块。姿态检测模块选用ICM20602六轴加速度计，通过陀螺仪和加速度计的互补滤波监测自身状态，并将其转换为主控制器模块可以识别的信号传送给主控。根据监测的车身实时姿态，采用PID控制算法，控制舵机转向使电单车维持动态平衡。直流电机驱动模块负责将主控制器输出的PWM 信号转换为控制信号，驱动直流电机的转速。通过旋转编码器读取速度传送回主控芯片，形成速度闭环。

3 硬件方案设计

控制系统硬件电路结构主要由主控制器模块、电源模块、姿态检测模块、直流电机及其驱动模块、转向和平衡控制模块、方向引导模块六个部分组成。

图3 电单车车身图

3.1 主控制器模块

单片机最小系统采用STC8H8K64为主控芯片，集成复位电路，时钟电路和串口通讯电路。方案直接使用逐飞科技提供的STC8H8K64核心板。具有64

个引脚，支持硬件SPI和IIC。

3.2 电源模块

方案采用7.4V车模锂电池供电。由于各外设的电源需要，采用DC-DC的降压方案。总供给四种不同的电压：

（1）电机驱动由电池电源直接供电。

图4 逐飞STC8H8K64核心板实物图

（2）对于单片机以及实现自平衡和调试需要的各外设，包括陀螺仪，OLED屏幕，无线串口等的供电。选用TI公司生产的高性能稳压芯片TPS7350和TPS7333进行稳压，提供5V和3V3的电压。电路原理图如图5所示。

图5 TPS7350和TPS7333稳压电路原理图

（3）舵机的工作电压要求为6V，同时至少通过300mA的电流，选用降压开关电源芯片AS1015作为稳压芯片，电路原理图如图6所示。

图6 舵机稳压电路原理图

图7 六轴加速度陀螺仪ICM20602实物图

3.3 姿态监测模块

选用TDK推出的数字陀螺仪ICM20602，它是一个6轴运动跟踪装置，集成了一个3轴陀螺仪和一个3轴加速度计。测量精度高，噪声小。

3.4 直流电机及其驱动模块

直流电机选用540电机，额定电压为7.2V。配套使用编码器读取速度，形成速度闭环。

电机驱动电路设计时使用了N沟道MOSFET IR7843和专用栅极驱动芯片IR2104组成的驱动电路，原理图如图8所示。

图8 电机驱动电路原理图

3.5 转向和平衡控制模块

自平衡方案转向和平衡控制都依靠舵机完成。选用S3010舵机，其寿命长，扭力大，具有很好的稳定性和对车模平衡的控制能力。

图9 S3010舵机实物图

3.6 方向引导模块

方案采用电磁方式循迹，选择6.8nF电容和10mH电感配对采集电磁导引信号，经过TI公司双路低噪声轨到轨运算放大器TLC2272放大后，进行倍压整流，得到波动较小的直流电压信号。运放原理图如图10所示。

图10 TLC2272运放电路原理图

本平衡方案的方向引导模块也可以依照实际情况转而使用图像引导。

4 软件方案设计

对电单车采用平衡环、速度环、方向环三环控制。自平衡系统软件流程图如图11所示。

图11 自平衡系统软件流程图

4.1 平衡环控制

对于电单车的平衡环控制，需要实时监测电单车的车身姿态。对ICM20602采集到的原始数据使用卡尔曼滤波进行角度融合，能够获得较为准确的实时角度。

通过位置式PID控制算法来维持单车平衡。比例项为方向倾角（横滚角），积分项为比例项的和，微分项为左右方向的陀螺仪读数。输出控制舵机的PWM占空比从而改变舵机的转角，最后实现平衡。

计算公式：

kp为PID比例系数；ki 为PID积分系数；kd为PID微分系数；duty_steer为PWM占空比的控制量；angle_balance为方向倾角；angle_sum为比例项和；icm_gyro_x为左右方向的陀螺仪读数。

横滚角是指单车在水平方向上的左右倾角，横滚角的确定是保证平衡的基础，由于电单车本身的结构因素：车身左右重量不可能完全相等，往往会使小车在竖直静止状态下向一个方向偏倒，即存在静态误差，在计算横滚角时，需要在计算结果的基础上加一个常数来消除这一静态误差[5]。

积分量直接关系到电单车倾角能否达到目标倾角。目标倾角越大则静态误差也会越大，在积分系数ki不够大的情况下静态误差过大，很可能会导致电单车倒地。

按照单车的T-S模型[6]，电单车后轮电机速度对单车的平衡环也会产生影响。单车速度越快会导致向心力更大，则相对应的相同的单车姿态下，维持平衡所需要的舵机打角也不同。假设单车以匀速行驶，在过弯时可以用加减速来辅助平衡环，达到更好的过弯效果。即在过弯时减速，在过弯后加速辅助回正。

电单车的平衡环控制结构框图如图12所示。

图12 平衡控制结构框图

4.2 速度环控制

电单车的速度利用编码器形成闭环控制。使用编码器测取电机速度信息，与目标值进行比对获得控制偏差，对偏差采用增量式PID控制，输出PWM信号，使该偏差趋于零。该方法在电单车面对包括平地和上下坡的多种路况时拥有良好的鲁棒性。

电单车采用匀速行驶，同时配合加减速辅助单车平衡与转向。电单车的速度越大则转向时所需要的向心力越大，与之对应产生的离心力就越大。输入单车的实际倾角与目标倾角的差值，若实际倾角小于目标倾角则减速，反之则加速，这样不但可以辅助单车的平衡，而且实际循迹的过程中能够大大提高转向的稳定性和速度，入弯时减速，出弯后加速，达到过弯压弯，且过弯后快速回正的效果。

速度控制结构框图如图13所示。

图13 速度控制结构框图

4.3 方向环控制

采用电磁方式进行循迹，使用左右两个水平电感的差比和监测单车偏离路线程度和方向，经过PD运算得到转向期望倾角，将期望倾角叠加到平衡环的目标值，即可实现单车循迹。

5 结论

基于电单车本身的结构特性，提出了一种行之有效电单车的自平衡方案，控制精准，响应快速。方案的突出优点是系统造价便宜，且同时效果优秀。该方案的设计为后续的自平衡电单车的广泛运用提供了一定的参考。同时该方案中依旧有许多不足，对于不同的车模结构同一套参数不能够适用，所以后续需要为电单车加入机器学习的算法，能够使电单车自己校正参数实现自适应驾驶。