2．3  光电导引两轮自平衡智能车系统工作原理

光电导引两轮自平衡智能车系统的控制需要分解为三个控制部分：直立控制，速度控制，方向控制。直立控制和方向控制的控制量都可以直接施加在电机上，速度控制则需要通过直立控制来间接实现。下面分别讲述这三个控制部分的工作原理：

（1）直立控制：

两轮自平衡车在只进行直立控制时相当于一个倒立摆，倒立摆在偏离平衡位置时，由于重力在与摆杆垂直方向的分量与位移方向相同，若不给倒立摆施加额外的控制力，倒立摆会渐渐偏离平衡位置直至倒下。本文中的两轮自平衡车通过电机对车轮的驱动使得系统给车体提供外力，一部分外力用来抵消重力在车体垂直方向的分量，从而产生回复力；另一部分外力用来产生阻尼力，是车模尽快稳定在平衡位置[21]。

车体姿态信息由加速度计和陀螺仪获取，但是加速度计和陀螺仪的输出信号会有较大的震荡，无法直接准确反映车体倾角和角速度，所以需要对加速度计和陀螺仪输出的数据进行滤波和消除零漂，以获得较为实时准确的车体姿态信息，实现直立控制。

（2）速度控制

速度控制无法通过直接对电机施加控制量来实现，因为这样在实现角度控制时会产生较大的回复力，使得智能车无法正常行驶。实际上，速度控制是通过直立控制来间接实现的，速度控制过程中必须始终维持车体的直立，因而可以通过速度误差来对电机施加一个短暂的向后控制量，使得车体前倾，车体为了保持平衡必然需要进行角度控制向前行驶，最终实现速度控制。当然，过于频繁地对电机施加速度控制量会影响到智能车的直立控制，所以需要很好地调节直立控制和速度控制的周期比。源.自/751·论\文'网·www.751com.cn/

（3）方向控制

光电导引两轮自平衡智能车竞赛时的赛道是由白色KT板铺设而成，两边沿贴有黑色胶带，智能车通过线性CCD采集前方赛道信息，即一行128个点的像素值，从而分析出白色赛道、黑色边沿以及场地背景的，得知智能车与赛道中心线之间的偏差，可以确定智能车位于赛道的具体位置以及前方的赛道走势，进而确定智能车是继续直行还是向左向右偏转，给两个电机施加对应的方向控制量，实现方向控制。

最后，将直立控制、速度控制、方向控制的控制量叠加在一起施加给电机，即可实现光电导引两轮自平衡智能车系统的基本运行。其工作原理图如图2.3所示：

图2.3 光电导引两轮自平衡智能车系统工作原理图

2．4  本章小结

本章首先给出了光电导引两轮自平衡智能车系统的设计要求，然后给出系统的组成结构，并对其中的各个主要功能模块做了简要介绍，最后阐述了系统的工作原理。

3  光电导引两轮自平衡智能车系统数学模型的建立

3．1  后轮闭环控制模块的建模

为了实现后轮电机速度的准确驱动，我们采用了电机-测速编码器闭环驱动方式，整个后轮闭环驱动系统包括：单片机PWM脉冲产生模块、脉冲累加器模块、光电隔离、H桥功率装置、直流电机以及测速编码器