关于自平衡车结构的一些思考

黑马

制作自平衡车的过程中，我发觉结构的影响的影响远超过算法，所以有一些个人看法希望和大家交流。

一、关于重心：我逛了不少论坛，似乎大部分贴子都认为低重心更利于稳定。但是我觉得，如果把自平衡小车看成一个倒立摆，它的轴心在轮子的轴上，那么重心越高，它的转动惯量就越大，自摆的频率就越低，系统将有更长的时间来调节使系统平衡。或者用一个更日常的例子作比方，用手指顶住一根筷子下端保持平衡那叫个相当困难，顶个晾衣杆就简单多了。所以，我认为做自平横的话重心高一些更合适。

二、关于传感器的位置：对于陀螺仪来说，整个小车看成刚体，各个位置(除了轮子)角速度应该没有区别，但是对于加速度计，车子运动时产生的加速度显然会影响对重力加速度的测量。和振动引起的误差不同，这个加速度的影响是低频的，比较难在数据融合过程中滤掉，所以加速度计最好选一个加速度尽量小的地方。一种情况是车子倾倒的过程，这个当然很简单，越靠近轮轴，影响自然越小；另一种情况是马达驱动车子的时过程，整体会发生转动和平动，我做了一个很粗略的计算，把车子看成均匀分布的长方体，这时候加速度最小的位置在重心上方一点，准确的是在整个车子7/12高度的位置。至于具体更倾向于消除哪个方面的干扰，我还没有一个比较靠谱的结论。

三、关于减速比：当偏角比较小的时候，重力的力矩比较小，如果算法比较合适，较大的力矩应该更有利于快速回到平衡位置，但是有个问题，当转速达到一定程度时，能够输出的力矩就很小了，可能不足以校正姿态。所以我定性分析的结论是较大的减速比比较利于稳定，但是可校正的范围会比较小，如果偏的大了可能回不来，小的减速比则相反。关于这个我觉得可能要根据具体的情形列方程，所以对这个结论也没有什么把握。

很多看法都不太成熟，希望多讨论和指点，谢谢大家。

回复地方

消灭零回复，顶楼主

johnsonzzd

重心高是有好处。单摆的周期：
T =  2π*√(l/g)

qqtthh

学习一下，顶楼主

zhangdeyue1

谢谢楼主分享经验~！学习了~！

xlla

您提的第三个问题我很感兴趣，只是减速比有点儿笼统。
有没有达人能定量的分析一下，搞个扭矩，小车自重，重心高度 ，与轮胎直径的对应关系啊。
我现在担心做好后，动力不够，站不起来。
小车自重大约1000g.

312494845

如果重心过高肯定不好。慢是指角速度，但实际产生的线速度是很大的。线速度才是系统直接调节的量，若近似T=2π*√(l/g)，则w=2*pi/T=2*PI/(2π*√(l/g)) ,v=w*r即v=w*l=2*pi*√(l*g)/2n，与v与l成正关系，显然越高越不好。用个极限的思想，如果重心高度为0，即与轮轴重合，则这种情况变不需要调节，是个自平衡系统了。
另外，对于减速比大的优势不同意楼主，减速比大的确有利于位置平衡附近小范围内的平衡，但原因不在于力矩，而是在于系统调整的精度，减速比越大，系统控制精度越高，对小误差下的调整优势更稳定，不容易过冲。再个，个人认为减速比的最大值是可以计算的，也就是算出车的最小速度便可，建一个小车自由倾倒的模型，便可得到倾倒时矫正需要的速度，以及矫正的所所需力矩，把这两个参数带入到电机模型便可算出可容忍的最大减速比，再留些余量即可

191zzy

好高深的文章呀。

看了楼主的文章，我想小车是不是应该高一点，上面的部分角速度就大一些，传感器放靠近上面的部分，也就会灵敏一些？

减速比大的电机力比较大，有利于平衡，不会由于力小而倒；同时也适合微调。

lopo

312494845 发表于 2012-10-20 05:12
如果重心过高肯定不好。慢是指角速度，但实际产生的线速度是很大的。线速度才是系统直接调节的量，若近似T= ...

说的很对，重心高并不好，SEGWAY的重心就很低

蒙牛过江

重心越低——》转动惯量越小——》系统惯性越小
重心越高——》转动惯量越大——》系统惯性越大
这两点我也同意。
但是之后的分析我就不是很赞同了。

并非惯性大就一定好，惯性过大很可能震荡，表现出来就是老摆动，不能稳定在一个小角度里
也并非惯性小就一定好，惯性太小太敏感。
关键是控制方法和硬件系统的匹配。
如果想仔细的分析。。就要鼓捣数学模型之类的。。。不适合DIYER。。。
简单的思路，我觉得，应该是先做出个大致合理的成品，再分析一下，做算法，类似系统校正的感觉。

zcbzjx

这个作为diyer应该可以试验验证吧

zhaoleizhaolei

咨询FreeWay两轮平衡车(无刷电机+锂电池)
QQ:695118363

uudon

好帖子，顶下楼主。。

164335413

如果电动机马力足，减速比合适，小车的稳定性也将大大提高。