1. 平衡车的原理
控制车体平衡的直观经验来源于日常生活的经验,人通过手的移动控制手心中直立的木棒,若想要使它能保持直立,就要不停的移动手,相当于在木棒不垂直于手心后,通过手的移动来使它垂直于手心。
控制直立木棒的反馈控制
平衡车就是通过此原理设计出来的,然而控制车体平衡不是通过人为的,而是通过车轮的转动来实现,应用反馈来控制使车体保持平衡。
车轮运动控制小车平衡
1.1 系统框架设计
现如今的自平衡车结构种类比较多,但基本都如图3设计的框架[2]。本设计使用如图3的结构,车体主要由两层组成,控制层是核心部分,是主控芯片最小系统所在的层;电池层是用于给整个系统和电机航模锂电池,是动能提供的层;保护层主要是防止主控制器被压坏的亚克力板。每个层都是用铜柱固定,两个黑色的矩形相当于电机,各接着一个轮子,这个模型结构比较简单,却很实用。
车体框架设计如图 平衡车框架
1.2 受力分析
当把一不上电的两轮小车放在水平面的时候,车体无法保持直立。这是因为地球存在各种力的原因,使得车体无法直立在水平地面,所以在没有外力的作用下必然会发生向一方倒的现象[3]。
受力情况
只有在理想的环境下,M车本身的重力与车轴向上Fh支持力的方向才会在同一水平线上,且方向相反。由牛顿第二定律可知:
只有在理想的环境下可处于静止状态的情况。当不是处于理想环境下,空气中存在着阻力、摩擦力,θ角度随时可能改变:
在角度θ开始发生变化时,车轴方向向上的力Fh和本身所受的重力Mg开始偏离处同一垂直线上。这时小车看似倒立摆,通过分解重力可知:此时受力如方式(2)的等式,但还有一个Mgcosθ的水平方向力,合力不为0,小车则有一个加速度移动,故不会自动平衡