智能机器人平衡车调试技巧研究

    ● 引言

    随着科教兴国战略决策的提出、素质教育的开展和壮心精神的提倡，教育部及社会各相关部门纷纷联手举办了面向广大中小学生，培养和激发他们创新意识和实践能力的各种比赛活动，“全国中小学信息技术创新与实践大赛”（简称NOC）就是其一，迄今已成功举办了十六届。由于平衡移动机器人应用领域的不断扩大，其已成为机器人研究领域中不可或缺的一部分，为了适应社会的发展、技术的更新，NOC于2018年新增了智能机器人平衡车（以下简称平衡车）技巧挑战赛。此项目主要是模拟未来社区的场景，由机器人驾驶平衡车，完成一系列社区任务，重点在培养学生的动手动脑能力，提高学生的信息技术素养。

    项目一出现就受到了广大师生的高度关注，在专业人员的操作下，机器人能非常顺利地完成各项任务，但对广大师生来说，要在保证速度的前提下完成所有任务并非易事，从区赛、市赛以及全国决赛的实际比赛情况来看，平衡车的调试具有较大难度。2018年的比赛中，有50%的选手无法顺利完成所有任务，能顺利完成任务到达终点的选手在速度上却并不理想。因此，在比赛中如何做到稳定性和速度并存是广大师生迫切需要攻克的调试难关。为解决这一难题，笔者对平衡车的构成、工作原理，结构、软件及行驶过程中速度的调整等进行了深入研究，并将研究结果与学校相关教师一起进行了探讨、实验。● 平衡车构成及工作原理

    1.平衡车构成

    平衡车官方物理样机的机械结构如图1所示，该机械系统主要部件包括车轮、馬达、控制器、灰度传感器、陀螺仪、电池、木质人偶、基础板以及各类支架辅助材料。

    

    2.平衡车工作原理

    平衡车的控制思想是基于一级倒立摆的思想。车身固定在两轮之上，当车身产生摆动时，陀螺仪角速度传感器会实时检测并采集到车身角度变化，反馈到控制器，控制器接受信号及时做出反应，驱动电机向相反的方向施加力矩，形成一个动态的稳定系统;当平衡车前行时与重心形成一个角度差，角速度计实时检测到角度差，传输给控制系统;控制系统输出信号驱动电机，车身重心前移，使平衡车在前进中保持稳定。倾斜产生的角度差跟平衡车行驶的加速度成正比，实现了不需要刹车离合等装置完成一系列动作。● 比赛中存在的主要问题

    为了解平衡车比赛实际状况，笔者对2018年重庆市NOC平衡车市赛和区赛进行了调研，调研结果详见表1、表2。

    从表1和表2的调研结果来看，比赛中平衡车主要存在以下问题：①由于平衡车属两轮车，平衡车要在各个项目稳定保持平衡存在较大难度。②传感器安装不合理导致平衡车通过障碍物或转向时脱轨。③传感器在不同的环境中需要大面积地调整程序参数。④平衡车结构上不完善，重心、重力线不合理使平衡车保持自平衡的能力先天不足，无法做到速度与稳定性并存。⑤左右电机速度存在差异，导致平衡车执行指令不一致。⑥程序参数设置不合理，导致平衡车在行驶过程中出现摆幅过大脱离轨道、过障碍物任务失败、结束区无法停止3秒以上等情况。● 问题分析及优化方案

    1.结构优化

    平衡车的机械结构部分优化是整个硬件优化的基础，好的机械结构能够提升系统运行的稳定性，同时还能够对硬件电路起到一个很好的保护作用。我们知道，物体的重心高度与稳定性成反比，重心越低，势能越小，势能的能量也就越小，所以重心降低则物体更稳。基于这个原理，笔者认为应尽量降低车身高度。平衡车的机械部分原设计采用两层结构，优化后将平衡车的主要部件放置于底盘附近，使车体重心低于车体几何中心，这样既能够使平衡车运行时重心更稳，同时也能降低电机的输出功率，有利于平衡车提高续航能力。平衡车优化后的机械结构如图2所示。主要从以下两个方面进行平衡车的结构优化。

    

    （1）载体构件优化

    传统车的结构由基础板承载电池、控制器、木质人偶，在车轮的支撑下，通过传感器来控制行驶的路线，此结构由于车身面积较大，重心很难控制在两个车轮的中心位置，故而在比赛中出现平衡车在开始区域启动后无法保持车身处于静止状态，在行驶过程中车身前后摇晃的情况。车身的前后摇晃会改变离地距离，导致传感器捕捉的数据出现较大的偏差，当速度提升以后转弯脱轨几率加大，因此很难做到在弯道处平稳寻线，特别是在U型回路位置脱轨几率达到60%以上。为了避免车身在行驶过程中前后摇晃幅度过大，笔者建议用如图3所示的两类排板代替基础板作为载体组装。

    （2）传感器安装优化

    传感器是平衡车最关键的部件之一，平衡车的行驶方向依靠传感器捕捉的数据进行指引，故传感器的安装至关重要。优化可从以下几个方面进行：

    ①传感器一共有四个，笔者将其分为两组，第一组编号为0和3，第二组编号为1和2，需要对四个传感器逐一进行测试，将数据接近的分别放入这两组中，其中第二组比第一组的作用更为显著，故要将最为接近的两个传感器放在第二组里。

    ②尽量拉近传感器与车轴的距离，保证发出转弯命令时车身在弯道位置。笔者设计了采取传感器反装的方式，将数据连接线一端安装在车身前方的位置，如图4所示。

    

    ③传感器离地间隙的大小对数据也有一定的影响，通过实验，最理想的距离是2厘米，距离过高检测的数据变化不明显，过低则在平衡车通过障碍物时容易触地导致平衡车失控，比赛中出现过障碍物失控大部分是由于这个问题导致的。

    ④传感器对光非常敏感，在不同的环境中传感器在同一位置检测到的数据有明顯的差异，为了减少光对检测数据的影响，可用黑色胶带将传感器的探头从根部位置向上包裹三分之一的高度，减弱探头吸收光源的能力，这样能有效避免在不同的环境中大面积调整程序参数。

    ⑤中间两个传感器安装太近会导致转弯幅度过大，太远会导致转弯延迟，最合理的距离是2厘米。

    2.调试优化

    （1）重心调试优化

    重力线是否在车轴的中心位置上是平衡车能否平衡的重要因素之一，当平衡车开关打开后，如果平衡车能在原地极小幅度摆动表示重力线位置处于车轴的中心点上，反之平衡车前进或后退，则需要调整重力线位置了。如果平衡车前进，说明车身前方偏重，将电池和控制器往车身后方挪动，反之则往车身前方挪动，因为电池和控制器能挪动的空间有限，当这种方法无法达到所需目的时，可通过在车身前、后增加配重来达到调整重力线的目的。

    

    （2）平衡干扰测试

    在小车运行稳定时，外界给平衡车一个力的作用，小车在外力作用下前后摇摆。前后摇摆速度和倾角都能逐渐收敛变小，在极短时间内平衡车能够回到平衡位置上则表示平衡性能得到有效的保障。

    （3）电机测试

    平衡车左右电机速度的差异会导致平衡车行驶偏向，确认电机速度是否一致有很多方法，笔者采用检查转弯时电机是否一致的方法来确认：在程序中将左转和右转、左旋转和右旋转的值设置成同样的值，将平衡车放置在第一个弯道前，按巡线开关，然后再将平衡车放置在第一个弯道后方往回行驶，按巡线开关，如果两个相反的方向都能顺利地通过弯道则表示电机的速度基本一致。

    有的电机的编码盘偶尔与电机接口或PCB底板存在轻微摩擦，如果在电池电量充足的情况下出现电机输出无力，可用镊子等尖细物品挑起或按下编码电机的编码盘剥离一定距离后摩擦即消除。

    3.程序优化

    （1）P值的调整

    P是调节小车克服外力而直立的参数，如果过大，小车会产生震荡，这个值一般设置为5，如果平衡车在转弯总巡线失败，通过调整drift1和drift2以及速度值无效的情况下可以把P值调整至4.8或4.7。

    （2）速度设置优化

    速度是比赛中很关键的一个指标，要想在比赛中脱颖而出，必须在速度上下功夫。笔者通过实验发现，左转和右转的转速不能过快，否则会导致平衡车在行驶过程中摆动幅度过大而脱离黑线，最佳的速度值是6或7;左旋转和右旋转的转速一般设置为10左右;直线行驶转速要尽量加大，这样可以保证在最短的时间内到达终点，波浪路和勇攀高峰也需要平衡车快速冲上障碍物，如速度过低，平衡车会一直在障碍物前试探最后导致任务失败，直线转速最高可以设置到75，在75的转速下行驶平衡车的稳定性大幅度降低，在回路的地方很容易出现脱轨，要解决这个问题，需要在平衡车行驶到回路前的直线路段采取降速处理，等回路完成后再次提速。具体程序编写如上页图5所示。第一个系统运行时间需要根据测试平衡车实际行驶到回路前直线位置所需要的时间来设定，设置的时候尽量预留提前量，第二个系统运行时间是平衡车通过U型回路以后的时间，这个时间的设定稍微延后一到两秒。

    比赛中有的选手前面所有任务都完成得很好，速度也非常快，但是在平衡车到达结束区两轮过终点线时没能在结束区停止3秒以上，这样丢分很是可惜。正确的停止程序的写法如上页图6所示，这里最重要的一点是前进转速一定要降到50以下，否则到达结束区时会因速度过快一冲而过停在结束区外。

    （3）drift1和drift2的调试

    笔者使用drift1来控制平衡车的前进和左、右转，使用drift2来控制平衡车的左、右旋转。根据实验得出的经验，只要平衡车的平衡性没有问题，结构足够合理，那么drift1的值一般在-200至210之间直行，drift2小于或等于-190左旋转，drift2大于或等于180右旋转。但实际中，传感器会存在轻微差异，在不同光线和环境的影响下每个传感器的读数也会有少许差异，且差异与离地距离的大小也有关系，故drift1和drift2的值没有一个绝对固定的数据可言，要根据每个平衡车实际测试出来的数据进行调整。● 结语

    笔者通过对平衡车比赛实际状况的调研和深入分析，采用降低平衡车重心、更换载体构件、调整传感器安装等方法，较好地实现了平衡车在比赛中顺利完成各个项目的目标，据此优化后的平衡车在比赛中取得了较好的成绩，优化前后成绩差异明显。

    参考文献：

    [1]于乃功，李勇，阮晓钢.基于数据融合的小型两轮自平衡机器人姿态检测方法[J].内蒙古大学学报：自然科学版，2014（02）.

    [2]潘二伟.基于STM32的两轮自平衡车设计与实现[D].哈尔滨：黑龙江大学，2018.

    [3]张建.双轮自平衡移动机器人的设计与研究[D].合肥：安徽大学，2016.

    作者简介：丁熠（1975—），女，汉族，四川资阳人，中学一级教师，大学本科，主要从事中小学信息技术竞赛活动组织培训工作。