文 献 综 述

一．引言

随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展。”电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟知。据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具，随着石油储量的不断减少和人们环保意识的不断增强，”电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车、电动汽车，由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率无刷直流电机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。同时，人们也设计出了一些新式电动车，两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变就可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作^[11]。

二．平衡车技术的研究现状

两轮自平衡电动车可以看做是一种变质心的两轮自平衡机器人，而最早提出两轮自平衡机器人构想的是日本Electro-Communications大学的Kazuo Yamafuji教授，他在1985年就萌生了制造一种自动站立机器的构思，并在1987年申请的一项”平行双轮机器人”的专利中，使用了该技术。近几年，随着两轮自平衡机器人研究的不断开展，该项技术开始成为全球机器人控制技术的研究热点之一。美国、日本、瑞士和法国的研究机构及公司相继开始了这方面的应用研究，已经在系统设计与实现、建模、自平衡策略、运动规划等方面取得了进展，2001年美国发明家Dean Kamen发明了一种新型的方便快捷的两轮工具”Segway”，体现了两轮自平衡机器人的巨大应用潜力。目前，国内关于两轮自平衡机器人的研究处于起步阶段，主要有中国科技大学、台湾国立大学、北京理工大学、河南科技大学等科研单位参与，现阶段主要针对机器人建模与实验原型机的研制进行研究。

1997年，美国Washington大学的Glen H.Jorgensen等人提出了设计一种新型智能轮式座椅的构想，利用倒立摆^[1]的结构形式，建立了可以通过不规则地形的两轮同轴机构模型，通过仿真验证了设计的合理性。

2002年，法国Valenciennes大学的H.Tirmant、M.Baloh等人将两轮机器人的概念应用到城市自主出租汽车B2中，提出了两种可供选择的控制方法：一种是标准的线性控制法，在动态平衡点，通过使电机输出最小的力矩保持机器人的动态平衡，但是忽略了一些干扰等非线性因素；另一种是平行分布补偿法，引入了T-S模糊模型^[10]，建模时考虑了一些非线性因素，能够给出精确的非线性表示，虽然平衡效果比较好，但是牺牲了实时性，如果模糊控制稳定性评价标准增加，控制规则将呈几何级数增加。B2的体积只有普通轿车的十分之一，占用城市空间小。而且从汽车发展的角度看，B2在能量效率方面极具竞争力，减少了污染与交通堵塞，符合现代交通运输的要求，增加了城市的活力。

当今唯一市场化的两轮自平衡电动车（Segway）。它在2002年上市以来就备受各界的关注。Kamen观察人类走路的姿态特性，领悟到之所以人类可以平稳的直立行走，是因为体内灵敏度平衡器官可以精确的判断出人体重心的改变量，透过小脑的即时反应，然后利用腿部的肌肉即时出力来平衡倾倒的姿势。所以当人类的身体前倾时，这种不自主的反应会使人类伸出其中的一只脚往前踩来平衡身体，所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环，即构成了”步行”这种动作。因此Kamen尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮来代替人类的双脚，发展出所谓的”动态稳定”概念。

作为世界上第一部新型、方便快捷的两轮交通工具，”Segway”独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相似，是靠改变驾驶者的重心使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，它不仅能在驾驶者平衡站立时，保持动态平衡前进，而且在驾驶者身体前倾时也能保持平衡。甚至能在湿漉的地面和雨雪天气使用。5个固态陀螺仪、2个倾斜传感器斜坡感应器、一些光学传感器及高速微处理器每秒100次检测车体姿态，测出驾驶者的重心，以每秒20000次的频率进行细微调整，无论什么地形和状态都能自行保持平衡。它的运动也与人保持平衡的本能反应相同，没有油门和刹车，身体前倾则向前运动，后倾则后退，直立则停下，转向则通过旋转两个手腕下方的操纵把手来完成。适于平坦、拥挤的步行区，可带上火车或地铁，方便出差、上课和上班，可轻松推上楼梯。为保证安全，Segway的最大速度和转弯速度可根据驾驶者的不同水平设置，使用3种不同的钥匙，最大速度能从9.6km/小时到20km/小时。它的出现在全世界引起极大轰动，充分展示了平衡双轮行走的灵活性与实用性，引发了人们对未来交通革命的关注。

2003年，中国科技大学屠运武、张培仁等成功研制了自平衡两轮代步电动车Free Mover^[2]。其目的是为短距离运输提供一个可靠、便捷、环保的新型交通工具。Free Mover转弯半径为零，可以在小空间范围内灵活运动，无刹车系统，整车质量约30公斤。通过驾驶者身体的前倾与后倾实现了车子的自动加速、减速。通过控制手柄，可原地转弯任意角度。时速可达10公里，连续行驶里程约30公里。作者运用动力学理论对系统进行力学分析，全面系统的考虑了三维空间运动对机器人的影响，通过采用模糊自适应控制策略解决了车体大角度变化问题与非线性控制问题。