无人驾驶自平衡车
作者：冯世伟
来源：《物联网技术》2018年第04期
摘 要：针对当前自平衡车体积较大，抗干扰能力差等问题，文中设计了一款无人驾驶自平衡车。该自平衡车采用基于飞轮陀螺效应的自平衡技术，以STM32F103单片机为控制核心，配合姿态传感器采集车身倾角数据，结合PID控制算法控制陀螺偏转，产生修正力，实现自平衡，同时以航模遥控器为控制平台，可实现远距离遥控，应用于山区、荒野、偏远地区及受灾地区的物资运送等。 关键词：无人驾驶；自平衡技术；PID
1 作品简介
轮式移动机器人由于其成本低、结构简单、易于控制、能量利用率高等特点而得到广泛重视。我们设计的两轮（前后排布）自平衡车采用基于飞轮陀螺效应的自平衡技术，巧妙利用陀螺效应实现自平衡。系统以STM32F103单片机为控制核心，配合姿态传感器采集车身倾
角数据，结合PID控制算法，以步进电机为执行器，控制陀螺偏转，产生修正力，实现自平衡；以航模遥控器为控制平台，可实现远距离遥控，控制小车完成前进、加速、减速、转弯等动作，而陀螺效应使得本作品具有良好的抗干扰能力和较快的行驶速度。本作品主体狭长，动作灵活，适合在狭窄路径高速行驶，在复杂路况下正常行驶，可应用于山区、荒野、偏远地区及受灾地区的物资运送。由于其抗干扰能力强，操作简便，易于控制，也可应用于农产品采摘、交通运输、军事侦查等领域。实物如图1所示。
2 工作原理
2.1 陀螺效应原理
自平衡两轮车 如图2所示，飞轮的自转轴为Z轴，相对自转轴的转动惯量为J0的飞轮，以角速度ω0旋转。令飞轮绕垂直于轴Z轴的偏转轴X轴以角速度ω1偏转时，因为陀螺效应，飞轮将产生一个方向沿Y轴的力矩M：M=J0ω0ω1 ，由此可见力矩M的方向沿着Y轴正方向。以此为基本理论基础设计了自平衡两轮车系统，通过控制飞轮的偏转方向， 产生大小、方向合适的修正力矩，维持系统平衡。
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