参 考 文 献40

附录 A信标导引自平衡小车实物图43

1引言

1.1课题研究的背景与意义

自从 1885 第一台内燃机汽车诞生以来，汽车工业的进步带给人类诸多实惠[1]。然而随着 城市汽车数量的急剧增加，由于驾驶人超速、疲劳驾驶等违法驾驶行为导致的交通事故数量 急剧增加[2]。为了提高交通效率、减少交通事故，从 20 世纪 70 年代美国开始研究智能交通 系统[3]。智能车系统作为其主要组成部分，是利用传感器技术、计算机技术、机器人技术等进 行环境感知、动态规划和辅助驾驶的车辆系统[4]。

智能车系统主要的研究内容为碰撞报警系统、车辆辅助驾驶系统和车辆自动化系统，在 汽车智能化的过程中，逐渐实现了汽车的辅助驾驶和主动安全，自主驾驶也成为智能汽车发 展的目标[5]。随着相关技术的不断发展，智能车系统已经被广泛应用在交通等各个领域。我国 为促进智能车系统的研究发展，于 2006 年引进大学生智能车竞赛，现由恩智浦公司赞助。

在智能车系统中，随着车体姿态检测等传感器技术及相关理论的成熟，自平衡车系统由 于具有体积小、携带方便等优势而得到了迅速发展[6]。正是由于对自平衡车的研究热潮及其取 得的巨大进展，自平衡车的费用不断降低，并且逐渐进入寻常百姓家，极大地方便了大家的 出行。然而，随着用户数量的增加以及速度的提升，由自平衡车引起的交通事故频发，其安 全性也引起大家的高度关注，以至于部分城市开始禁止自平衡车出行，限制了自平衡车的进 一步发展。因此，自平衡车的平稳运行显得极其重要。

1.2自平衡车的国内外研究现状

第 2  页本科毕业设计说明书

1.2.1国外研究现状

从 Dean Kamen 及其团队在 2001 年研制出世界上第一款自平衡车 Segway 开始，世界范 围内掀起了研究自平衡车的热潮，极大地推动了自平衡车技术的发展。Segway 有两个并行的 轮子，驾驶者通过调整自身的重心来控制车体加减速[7]。不久，美国爱德华研制出两轮自平衡 车 Crunch,它使用两个分别完成机器人导航和姿态信息数据处理的微控制器，实现地图的自动 匹配与路径计算，同时能够与上位机进行数据交换，可以实现自平衡车系统运行参数的在线 监控，便于对自平衡车系统进行调试与观测。2006 年，segway 公司和 Wo Wee 公司合作完成 了名为“P-Bot”机器人的设计制作。它使用 Segway 的技术进行直立控制，通过头部的 LCD 显 示屏来展示面部表情，方便了人机沟通，使得服务机器更加形象化。丰田公司于 2009 年推出 了两轮自平衡代步车 Winglet[8]，它利用多个传感器以便获取更全面的周围环境信息，能够顺 利躲避障碍物，辅助驾驶员对自平衡车进行方向控制，有效减少其运行事故的发生，大大提 高了安全性能。同时，除了基本的 PID 控制，模糊 PID 控制[9]等经典控制方法外，波兰的 Hendzel 等人提出二元启发式规划算法对自平衡车进行方向控制，通过对周围信息的采集计 算，构造可行的初始路线以得到近似最优路线，在实际的自平衡控制应用中也取得了良好的 效果。

1.2.2国内研究现状

经过多年的积累，国内在自平衡车技术方面也取得了长足的发展。2003 年，中国科学技 术大学研发了两轮自平衡电动车 Free Mover，它通过 DSP 对采集到的车身姿态等信息进行处 理，使用算法计算并输出有相应占空比的 PWM 波形以控制两个独立电机的转速，控制车身 的前进、后退和转向，被认为是我国第一台两轮载人平衡车[10-12]。哈尔滨工程大学于 2008 年 制造出两轮自平衡车[13]，此代步车采用 LQR 控制算法进行车体直立控制，并通过加速度计和硅微陀螺仪组合传感器实现了车体姿态信号融合[14]。2011 年，西南交通大学研发了基于 LQR 控制和极点配置相结合的控制算法的自平衡机器人控制系统，并且为了使机器人能够快速适 应和响应传感器的信号，它采用 RTW 技术高效开发控制单元 DSP，大大节约了系统的开发 成本[15]。上海大学 2012 年研制了一种采用 CompactRIO 作为主控器件两轮机器人，通过模糊 控制算法对机器人进行平衡控制。 信标导引自平衡车制系统软件设计(2):http://www.chuibin.com/zidonghua/lunwen_206116.html