PVC-Robot【9号】忐忑者·自平衡双轮小车

pvcrobot

　　本项目自平衡双轮小车的原理，其实就是靠小车前后来回运动保持平衡，原来考虑“来来回回”文艺一点可以称为“徘徊”，但是后来某网友看完视频之后有一给力的评语——忐忑，加上这也是近来网络流行语，同时也确实能够反映实际运行效果时那种焦躁不安的感觉，所以最后定名为“忐忑者”，哈哈。
　　本项目机器人共有两个版本，以下是视频效果，由于采用的简单机械式的反馈机构而精度不足，总体效果来说不是太理想，但作为阐述自平衡车原理的一个范例，还是有一定积极意义的。

(原文件名:PVC-09.jpg)

视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMjc0ODQwOTUy.html

一、基本原理　　本项目机器人是一辆简易型的双轮自主平衡小车，通过一个简单的机械式传感器获取小车的姿态，并通过调节小车前后运动方向，使得小车依靠两轮也能保持一个直立平衡。

1、运动机理　　双轮小车的自主平衡原理，其实就是不断的通过改变小车前后运动的方向，使小车的车身在竖直方向上保持一个动态的直立平衡。就类似杂技演员表演独轮车一样，需要不断的前后踩脚踏板使小车在前进和后退间不断变换，以保持一个平衡。

　　这个具体的平衡原理如下：
　　1、双轮自平衡小车一般长得都比较“高”，也就是重心位置比较高，位于车身底部的两个车轮是平行安装的，默认静止状态小车是无法保持一个直立的状态的。
　　2、如果车轮带动小车前进，小车下半身会比上半身先获得前进的加速度，即启动的瞬间小车的下半身前进而上半身静止，则会出现小车趋向后仰的状态。就类似汽车突然加速，我们身体会感到一个后仰的趋势。
　　3、如果车轮带动小车后退，小车下半身会比上半身先获得后退的加速度，即启动的瞬间小车的下半身后退而上半身静止，则会出现小车趋向前倾的状态。就类似汽车突然刹车（后退），我们身体会有一个前倾的趋势。
　　4、由于小车重心较高，如果小车前进--后仰，或者小车后退--前倾，随着小车的继续运动，这个后仰或者前倾的趋势会越来越大，必须及时纠正，否则小车就会倾倒下去。
　　5、如果小车前进中，有了后仰的趋势，达到一定程度后，可以让小车变成后退，让小车后退产生的前倾趋势去纠正原来前进时后仰的趋势；如果小车后退中，有了前倾的趋势，达到一定程度后，让小车变成前进，让小车前进产生的后仰趋势去纠正原来后退时前倾的趋势。如此往复循环，使小车保持一个直立的动态平衡状态。

(原文件名:动态平衡原理.gif)

2、控制原理　　根据以上平衡原理，我们的双轮自平衡小车的具体运动控制过程如下：
　　1、车身后仰，则让小车后退，车身恢复直立；
　　2、小车继续后退，车身又会前倾；
　　3、车身前倾，则让小车前进，车身恢复直立；
　　4、小车继续前进，车身又会后仰；
　　5、重复以上第1步……

　　双轮自平衡小车其实是一种技术难度比较高的项目，从以上所提到的姿态反馈机构就可见一斑。在这里我们并不需要一下子涉入过深，现阶段的目标还是主要以通过简单可行的方式了解基本的原理即可。所以在本项目里，我们没有应用复杂的反馈机构，而是用了一个简易的机械式的传感器——限位开关，并结合特殊的控制电路，用一个非常简单的方式实现小车的自平衡控制：
　　1、在小车后部安装了一个限位开关，这个限位开关就和我们在 PVC-Robot 1号 所应用的碰撞开关是一样的，其实就是一个“微动触碰开关”，当用在碰撞控制的时候被称为“碰撞开关”，在用在限制位置的时候被称为“限位开关”。
　　2、在本项目里，为了简单起见，我们的限位开关只有在小车前进导致后仰时进行姿态的反馈控制，而对于后退导致前倾时并没有再加上姿态的反馈控制。
　　对于后退运动，我们是利用限位开关所具有的机械延时特性，也就是说机械式的触点状态改变不是即时的，而会有一个短暂的时间：在限位开关触发控制小车后退，到完全纠正后仰状态让限位开关放弃触发重新控制小车前进，这中间的一段很短暂的时间，也就是允许小车后退运动的时限来控制后退时的姿态。
　　相当于说小车后退我们不是探测其姿态，而是限制一个时间——小车后退到了这个时间后姿态也正好到了要调整的时候。这和 PVC-Robot 1号 是类似的，在1号机器人中是探测到小车碰到障碍物，然后利用碰撞开关的机械延时特性给小车一段转向时间，这个转向时间是正好足够小车改变方向的。


　　总的来说，小车前进的姿态我们是用机械传感器进行控制，而小车后退的姿态我们是用了限时运动的方式进行控制。
　　具体过程如下：
　　1、小车电源接通后，限位开关没有被触发的状态下，电机正方向转动小车前进。
　　2、小车前进，导致后仰。当小车后仰角度达到一定程度，限位开关的限位触点碰地，触发限位开关改变电机的电流方向，电机反转小车变为后退。
　　3、小车后退，后仰状态被纠正后，限位开关虽然停止触发，但由于机械特性并没有马上完成复位，而且是让小车继续后退一小段时间；小车继续后退逐步呈现前倾状态，限位开关完成复位，小车自动变为前进状态，开始进行前倾状态的纠正。
　　4、小车前进，纠正了前倾状态后，随着小车继续前进小车又会呈后仰趋势；然后重复以上第2步，周而复始不断循环下去。


(原文件名:平衡控制原理.gif)



3、电路原理
　　本项目的控制电路和 PVC-Robot 1号 是类似的，即利用限位开关自身所有具有的选择连通功能，通过切换电机供电的电流方向来改变小车的运动方向。



(原文件名:电路接线图.gif)


(原文件名:电路焊接示意图.gif)


具体制作步骤这里省略，有兴趣的可以访问这里：http://blog.163.com/pvc_robot/blog/static/17527643220113334818803/

pvcrobot

本来想把具体过程也发出来的，但是图片上传太麻烦。

贴出博客地址并不是为了打广告，如果管理员认为不妥可以帮我把后面的链接地址删掉，我现在还修改不了，因为新注_册的这个账号还没有通过审核。

之前的账号丢了找不回来，只好重新申请一个。

gongnn

我最讨厌管这东西叫机器人了，看见就烦，尤其软广告！！！！！！！！！！！！！！！

ShawnLinson

删账号，封IP，好可怜哦~~~~~~

pvcrobot

请不要以所谓专业的眼光以高高在上的姿态对别人的东西妄加评判，就算给点初学者或者门外汉一点点空间都好

我来论坛，不是为了把自己的作品摆出来，让大家夸几句满足一下虚荣心，而能够和大家分享经验，尤其对一些刚入门或者想要入门的朋友能够有点帮助，对我自己而言我觉得是有意义的。整个从入门到高级的博客教程，包括从简单电路到单片机甚至PC机的智能控制内容，我会一直写下去。。。

至于所谓机器人，除了现在大家所熟知的动辄就是使用单片机的所谓智能机器人，也有一种被称为BEAM的简单机器人，学电子的人未必知道，但玩机器人的人肯定知道。。。


另外，补充一下，第一次在论坛发这样的帖子，既然有人讨厌所谓软广告，我本是要删除掉外部链接的，但是开始是没有通过审核无法编辑，现在却又已经过了时间无法编辑，只能说下不为例了。。。

sclsdhlr

用最简单的原理完成复杂的事情，顶顶顶