直立车原理部分

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1、直立车原理部分1.1直立行走任务分解第九届飞思卡尔智能车摄像头比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图2-1所示：(1)控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状(2)控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。速度捶制通过调节本摸使

2、用牝步取I将复柒任寿I分解禹三个简单任齐(3)控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。关性叠加形而1组I驱动电机尊向独耳屯k八1£2-1车模控制任务分解车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同

3、的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制。年模倾角引起车模加速或者或速运行图32车模倾角会引起车速速度变化三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（车模的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要车模已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要车模能够保持平衡和速度恒定；同样，在车模平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持车模平衡是关键。由于车模同时受到三种控制的

4、影响，从车模平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对车模速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。三者之间的配合如图2-3所示。1.1车模平衡控制控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图2

5、-4。图保持木棒直立的反馈控制图2-8显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。如图2-・车体垂直车轮保持符止.5所示。70车体向右倾斜，车轮向右加速运行.图2-5通过车轮运动保持车模平衡那么车轮如何运行，才能够最终保持车体平衡稳定？为了回答这个问题，可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型，设计反馈控制来保证车模

6、的平衡。为了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程。下面通过对比单摆模型来说明保持车模平衡的控制规律。重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。如图2-6所示。底部可以运动的倒立单赛国2-6车模简化成倒立的单摆图2-7普通单摆受力分析对普通的单摆受力分析如图2-7所示。当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，其大小为F--mgsin-:-mgi在偏移角度很小的

7、情况下，回复力与偏移的角度之间大小成正比，方向相反。在此回复力作用下，单摆便进行周期运动。在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。图2-8显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线tWiin9IO图2-S不同阻尼力下的单摆运动总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：（1）受到与位移（角度）相反的恢复力；（2）受到与运动速度（角速度）相反的阻尼力。如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动

8、。阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位置时间加长。因而存在一个临界阻尼系数，使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。为什么倒立摆在垂直位置时，在受到外部扰动的情况下，无法保持稳定呢？分析倒立摆的受力，如图2-9所示。倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置，就是因为在它偏离平衡位在非核姓家中,物体由于惯性会受到饯范力.■惯性泰骐系二在此孝昌系中，物体不受力时保持句速运动或者群止，牛损三大宅率