自动跟随平衡小车的设计1 绪论1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景当今时代是产业智能化的时代，新兴的信息技术正在快速应用于各行各业，现代科学技术已经成为了产业变革最主要的推动力。
根据《中国制造2025》计划所述，我国将加大力度对智能自动化工程、智能交互机器人、智能交通管理、智能电器、智能家居控制等产业进行引领和推动。
此外，还应根据消费需求的动态感知，从研发、制造和产业组织模式等方面开发一系列新的制造模式。
2018年12月底，全国工业和信息化部部署2019年工作，其涉及智能制造、信息消费、5G等领域。
智能制造业的兴起和引起人们的重视，得益于人工智能的研究和发展，其可以理解为人工智能系统的前沿技术。
人机一体化智能系统是智能化技术早期的应用探索之一，正在逐步发展成为一种混合智能技术。
人机一体化智能系统的智能化应用主要体现在智能机械上，而对于人们的日常生活来说，智能化在在智能机器人的应用上体现得最为明显。
在工业生产上，很多领域通过智能化装置的应用，实现了手动控制与自动控制的结合，节省了人力，降低了物料损耗，提升了生产效率和经济性。
随着智能化在不同产业的生成过程中应用愈发广泛，其承担的作用也越来越重要。
1.1.2 研究意义1.推进双轮自平衡车的智能化研究自动跟随技术已经经历了很长时间的发展。
早在很多年以前，国内外的研究人员就开始了对自动跟随技术具体应用的探索，设计出了自主跟随四轮小车，自主跟随无人机等作品。
由于那个时期的自平衡车的相关技术还不成熟，导致很少有自动跟随技术在平衡车上应用。
在性质上，双轮自平衡车从属于智能机器人的发展范畴，在移动载具方面，它有所占空间小、驾驶灵活、容易停车且便于携带等特点，非常适合短距离的代步和应用于娱乐活动。
但由于自平衡车在交通复杂的环境下，其安全性能并不稳定，并且对驾驶者的安全防护措施比较欠缺，导致自平衡车的交通事故发生频繁，事故损伤普遍偏重，致使现阶段很多城市都出台法令限制平衡车通行；另一方面，在平衡车跟随功能方面，小米正在成为先驱者，虽然小米平衡车的性能和适用范围还有很多不足之处，但自动跟随相关研究方向的正确性已被证明，这也将成为未来服务型机器人种类中特殊的一面。
2.绿色环保科技理念下新的成长力量“绿水青山就是金山银山”，现在人们意识到了保护环境就是保护生产力。
竭泽而渔，污染环境的生产方式已经走到了尽头，绿色发展，可持续发展才是正确的发展方向。
绿色、环保、高效、健康、安全必然是我们建设科技强国的重大使命的立足之本。
在科学技术迅猛发展的今天，绝不可将利益作为追求的首要指标，必须倡导推行清洁之上的发展准则。
这个科技智能发展时代之下，特殊的底线和准则定能在可持续发展科技之路中谱写成为主篇章。
3.促进自动化向智能化的方向发展当今时代是人工智能时代，人工智能的应用使得产业生产效率大幅提升，但与此同时，这也为自动化行业的技术人员提出了新的需求。
传统的自动控制技术现在也在向着智能化进行着升级变革，自动化领域的研究人员也在不断地尝试着将各种新型的科技手段在此进行应用。
在运输领域之中，京东的自动化仓库已经成为了行业领先者，其采用了很多种类的分拣机器人、自动导引运输车等智能化的先进科技；在交通领域，自动跟随无人机现已面世，当前已经有诸多团队投入到了自动化驾驶技术的研究中；在工业制造领域，自动化装置代替了大量人力的繁重作业，大幅度提升了生产开发效率；在高危电气应用中，利用智能化技术能够避免人员接触，保护人员的安全等等。
可见，智能化的研究和发展是时代发展潮流大势，人人都可以受益于智能化技术的应用，这也是智能化领域进步的不竭动力。
1.2 研究现状1.2.1 国外研究现状2001年，第一款成形的自动平衡载人车辆问世，其名为Segway HT，如图1.1所示。
其通过驾驶者自身控制重心位置的变化和摇晃扶杆实现运动的控制，在具备很强的载重能力的同时仍保证了较长的续航里程，平衡车从此成为了一种新的单人代步交通工具。
图1.1 Segway HTSegway的出现很大程度上引起了学术界的研究人员对平衡车方面的研究兴趣。
众多的科技创新领域人士都对这个新奇的交通工具所看好，苹果公司创始人乔布斯也曾夸赞平衡车，称其为具有跨时代意义的作品。
2002年，此课题成为了诸多科研团队的主要研究方向，当时在双轮平衡车领域出现了很多研究。
瑞士联邦工业大学Dan Piponi设计完成了一款新的双轮平衡车，将其命名为JOE，如图1.2所示。
这款双轮平衡车以DSP处理器作为为主控制单元，通过陀螺仪测量平衡车的车身姿态信息。
JOE具备自动保持平衡运行的能力，但其使用范围很窄，只能在没有起伏的平面上运行。
原型机完成后，Dan Piponi与Felix Grasser又对JOE进行了升级改造，使其最高运动速度超过了5km/h，比人们正常的行走速度略快一些。
升级版的JOE是自适应模糊控制算法在平衡车领域的第一次应用，自适应模糊控制算法使其抗干扰能力和系统稳定性远远强于第一代的JOE。
同年，三洋推出了FLATHRU，这是一款设计作为家庭内物品运输载具的双轮自平衡机器人，如图1.3所示。
FLATHRU的外形近似于圆筒状，其外壳内部具有一定空间，可以放置并搬运物品。
机器人通过三个陀螺仪检测姿态信息，并进行自主平衡控制。
但其同样有无法在坑洼路面运行的缺憾，并且在平坦路面它的最高运行速度也仅有0.3m/s，在负载达到最大负载量10Kg的情况下仅有60分钟左右的续航。
2009年，本田公司发布了Mobility Robot搬运机器人。
这是一款专为室内物品搬运设计的自平衡机器人。
如图1.4所示。
Mobility Robot具有自主运动的能力，能实现自动避障，可以接收命令并自动进行物品的搬运。
图1.2 JOE 图1.3 FLATHRU 图1.4 Mobility Robot 2017年，Handle问世。
这是一款具有革命性机械结构的机器人，其轮腿式运动结构设计应用了很多波士顿动力先前研发的Atlas的设计经验，Handle的出现标志着双轮自平衡机器人的研究现在已经达到了很高的技术水准，其在复杂路况的通过性及运动性能远远超过了同期其他型号的自平衡机器人。
1.2.2 国内研究现状我国对机器人的研究起步较晚，早期的研究都是以技术引入为主。
从产品的逆向研发开始慢慢对机器人设计领域进行探索，之后逐步进行独立的设计，经过很长一段时间，完整的系统开发才得以实现。
近年来，国内诸多高校及研究机构都开展了双轮自平衡机器人的研究，在控制理论、控制算法方面都取得了不错的研究成果。
2003年，中国科技大学的研发人员设计制造出了一款双轮平衡车，其名为FreeMove，如图1.5所示。
FreeMove是第一部国内自主研发的双轮平衡车，这对我国平衡车研究领域具有里程碑式的意义。
2011年，国内的首款面向市场的代步平衡车产品成功上市，其名为Robstep易步车，如图1.6所示。
Robstep易步车在传统的双轮平衡车基础上进行了诸多创新与改进，它在保持车体小巧灵活的前提下仍然实现了长距离的续航。
其设计主要用于室内行驶，是一款优良的代步工具。
2013年，纳恩博推出了Ninebot双轮载人平衡车，这是一款完全国内自主研制的双轮载人自平衡电动车。
其实物如图1.7所示。
2015年，Segway公司为小米公司设计定制了一款双轮自平衡车，名为小米九号。
如图1.8所示。
九号平衡车的上市标志着中国已经替代了美国和日本，成为了平衡车产业新的发展中心。
2017年，九号平衡车PLUS上市，如图1.9所示。
它在九号平衡车的基础上进行了多个改进和升级，具备了无线电跟随功能。
图1.5 FreeMove 图1.6 Robstep图1.7 Ninebot 图1.8九号图1.9九号PLUS 1.3 论文的章节安排双轮自平衡车方面的技术逐渐趋于成熟，进而向自动化、智能化方面开始迈进，而平衡车的稳定性、安全性的指标也随着平衡车产业发展不断的提升，围绕着这个主题，本文对双轮平衡车的设计及自主跟随的解决方案进行研究和探索。
第1章绪论：首先阐述了本设计的背景及研究意义，其次整理了平衡车的进化史及国内外平衡车产业的发展历程，并在此过程中了解学习了双轮平衡车的基本的硬件方案及软件控制方法，积累了很多的经验。
第2章平衡小车的基本原理及跟随方案设计：对平衡小车的基本原理进行了研究学习，了解了平衡小车控制的基本方法。
基于倒立摆模型对平衡小车建模，进行了更深刻的探索，验证了平衡小车的静不稳定特性及通过PID控制算法对小车进行控制的可行性。
最终列举分析了现存的多种定位跟随技术，选取了最为适合的视觉定位技术作为实现自动跟随的技术手段。
第3章自动跟随平衡小车的硬件设计：设计了一套完整的自动跟随平衡小车硬件系统，从硬件系统的整体架构入手，逐步对各个硬件模块进行研究与设计，进而设计并制作了小车的主控制板，最终将硬件电路系统安装到小车底盘上，制作完成了平衡小车的硬件系统。
第4章自动跟随平衡小车的软件设计：根据第二章验证的PID控制算法及第三章所选的OpenMV定位跟随技术及相关硬件模块，对小车的软件进行设计，重点设计了基于OpenMV单目视觉模块和AprilTag二维码的自动跟随程序和小车运动控制的三环串级PID控制算法，最终完成了软件系统的开发。
第5章自动跟随平衡小车整体测试：对已经制作完成的自动跟随平衡小车进行完整的系统测试，验证了设计方案方法的正确性和可行性，证明所研发的小车符合预期的性能要求。
第6章总结与展望：对本设计进行整体的总结与概括，分析了设计过程中遇到的各个技术难点，反思了仍存在的诸多不足，并提出了系统改进和升级的设想与展望。
1.4 本章小结由以上的双轮自平衡车相关研究的资料文献，可以得知双轮自平衡车是一种新兴的小型载人交通工具，国外对双轮自平衡车的研究已经进行了很长时间，而国内在此方面研究时间较短，现阶段仍有很大的提升空间。
随着市面上出现的平衡车产品越来越多，平衡车在智能化方面的功能扩展与升级日趋丰富，这说明本设计的研究和创新方向是正确的。
近年来，从研究成果上来看，双轮平衡车的发展已经进入到了稳步推进的阶段，虽然该领域内经常产出新的研究成果，但其多数都是停留在实验室内的测试研究阶段。
无论是从国家政策的鼓励和推动还是从科研工作者的探索和创新角度来看，在这个人们需求与科学技术都在迅速提升的时代，在平衡车领域仍值得探索与推进。
2 平衡小车的基本原理及跟随方案设计本章主要对自动跟随平衡小车的自动平衡原理进行探究和学习，并将平衡小车简化为倒立摆模型，进而对平衡车的特性及控制方法进行分析，并将其作为平衡车设计的理论依据，之后对平衡小车的自动跟随设计方案进行了设计。
2.1 平衡小车的基本原理在进行平衡小车的设计与制作之前，首先应了解其基本原理。
