平衡控制理论平衡车国内外研究现状

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国外研究现状由于国外相关控制理论较为成熟，城市发展步伐更快，早在上世纪后期，国土资源较为匮乏、人口密度较大的日本地区即有相关学者开发出可自动调节平衡的小车，当时所开发的小车实物图如下图1.1所示，受当时技术水平的限制，为提高小车平衡性，采用了两轮设计。从图中也可看出此款平衡小车运动时，需在特定的轨道上形式，因此也限制了其实际应用。62197

进入二十一世纪以来，相关平衡控制理论得到进一步的发展，车辆制造业水平得到提高，电池续航能力得到进一步加强，此时美国雅克罗公司发布并量产了Segway两轮自平衡小车，如图1.2所示为所发布的Segway小车图。当今市场上所发布的两轮平衡车很多都是以此为原型进行开发和设计的。

平衡自行车Segway

为提高传感数据传输、不同数据融合能力，Segway发布后两年，澳大利亚的Rich chi Ooi研制出了一种新型的两轮平衡车，外观如下图1.3所示。虽然此款小车提高了数据处理能力，但受到传感器技术水平限制、车辆外观设计限制、动力限制等，仍然有待进一步提高。

随着传感器技术水平、微控制技术的提升，以及美国对于太空探索的需求不断增加，美国研制出Nbot自平衡车，此款平衡车的外观如下图1.4所示，从图中可看出此款自平衡车虽采用两轮设计，但整体设计外观已与当今独轮小车的外观类似。Nobot平衡车添加了陀螺仪控制，并引入先进的ADXL202加速度传感器，自我调节能力，适应能力较强。

Nobt发布后，越来越多的美国科研机构投入到自平衡小车和机器人的研制当中。如下图1.5所示是萨诸塞大学相关人员所开发的Ubot-4平衡车，此种平衡车在原有平衡车的基础上添加机械手臂，极大的提高了平衡车的自动调节功能，可完成更多操作任务，可满足太空探索、地址勘探等场合的小车操作需求。

马来西亚理工大学的Ong Yin Chee等人，在原有的平衡车的不同方向上添加测距传感器，并采用微处理芯片实时处理传感器所采集的距离信息，通过计算实时获得平衡车当前状态，并根据当前状态输出控制指令，控制小车的平衡，如下图1.6所示为其开发团队所开发的平衡小车论文网。此款平衡小车最大的特点是加入测距传感器实时采集数据并由PID控制系统进行控制。

两轮自平衡车

随着单片机生产、开发和制造水平不断提高，单片机作为主控芯片而开始广泛的应用在平衡车的自动调节上。由MIT学校学生所开发的DIY Segway则是采用PIC16F877进行控制，并通过良好的电机转速控制，大大提高了平衡车行驶速度，所开发的平衡车如下图1.7所示。

为提高DIY Segway续航能力和行驶速度，2009年，丰田汽车公司以其优良的开发技术团队，结合众多先进的传感技术，开发出具有极高人机交互特性，续航能力强，速度达6km/h的自平衡车Winglet。Winglet上配备众多传感器，极大的提高了其安全性、适应性、可调节特性，且根据用户需求，开发出众多尺寸、型号的平衡车，使其达到商业使用价值。

2 国内研究现状

由于国内微处理技术和相关控制技术发展较晚，国内对于平衡车的研究相对国外研究晚很多年，直到二十一世纪初，由中国科技大学相关科研团队所开发出Free Mover平衡车。此款平衡车的行驶速度快，续航能力强，但自身重量较重，多达30kg。Free Mover平衡车内部集成多种先进的速度、角度等传感器，采用微处理芯片进行处理并输出调节控制，实现平衡车的自我调节。此款平衡车所开发的实物图如下图1.9所示。

为了提高国内平衡小车的技术水平，实现平衡车的量产化。2010年由清华大学和企业合作开发研制的两轮平衡车Cheway正式发布出来。此款平衡车利用众多先进的MEMS传感器进行组合，并集成性能优越的BF533芯片处理器可实现数据的实时、大量处理和高性能处理能力。用户可根据自身身体姿势的改变用于控制平衡车，实现平衡车的自主控制，达到良好代步的目的。