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无人自行车平衡控制的研究综述

王淇任林昶涛肖腾飞

摘要：调查了对无人自行车平衡控制的发展史，了解并总结了近年来学者们在研究的过程中在结构以及控制上的优化和解决的一些技术问题，最后对无人自行车的未来发展进行展望并总结内容。文章作为综述性论文主要针对无人自行车平衡控制的结构优化和控制优化两个方面进行了讨论，结合了从自平衡稳定概念诞生以来至今的一些文献，对其平衡系统的发展进行了总结概括，并对无人自行车的投入使用寄予期望。

关键词：无人自行车平衡控制

由于轻量级、简单的设计和易于操纵的特点，自行车深受人们所喜爱，世界上第一辆自行车是德国巴登男爵卡尔·冯·德莱斯于1817年研制出来的一种木轮车，它有车把可以控制方向，这辆木质自行车对人类有着重大贡献，为日后自行车的更迭换代打下了基础，它的诞生距今已有上百年时间。

随着社会科技与经济实力的不断发展，人们的生活也变得越发富足了起来，人们对生活的追求已经从仅仅解决个人的温饱问题逐渐转变为更加舒适、健康的生活，因此，人们越来越追求精致的智能生活，智能手环，智能家居，智能汽车等产品的相继出现，进一步推动了“互联网+”的热潮，智能化生活已成为时代之大势所趋，在今天，自行车也因为本身使用率极高，而突然立于这一课题的风口浪尖，传统自行车正面临着科技智能化的挑战[1]。

众所周知，自行车的平衡性与其行进速度的快慢息息相关，行驶速度越快，自行车的平衡性也就越稳定，骑行者能够通过左右摆动车把轻松控制自行车的行进方向，而当自行车处于低速或者完全静止，或受到外力影响的情况下，骑行者无法通过控制车把而使自行车长时间保持平衡，所以，若要使自行车实现智能化，其需要解决的最根本的问题便是车体的平稳性。

以下论文将对近年来无人自行车平衡系统的发展史进行概述，总结在研究中所出现的优缺点，并对无人自行车的发展前景寄予期望。

2结构优化

2.1车身结构

一辆普通的自行车的基础结构主要包括：导向、制动以及驱动系统。早在19世纪whpple等人就在对自行车动力学的研究中提及了关于自行车自平衡的机械问题[2]，但受限于技术上的困难，并没有对此做出过于深入的研究。长久以来，研究人员们为了保障自行车在无人操控的情况下也能够保持平衡状态行进，在自行车的结构方面不断的进行优化，并使用了许多方法进行论证和试验。

针对无人自行车进行结构上优化这一难题，我国首次对此进行研究是由学者刘延柱在1990年所发布的对人车系统稳定性的探讨中指出的此前国外学者将骑行者与车身视为一体以此进行分析的不合理结论，并凭借大量数据进行对比分析纠正了此类错误[3]。

此后，国防科技大学的王路斌在对无人自行车的建模与控制的讨论中，通过多次设计无人自行车的系统和机构，并在用MATLAB进行了仿真分析后，发现了在选取系统主体时采用质量和尺寸较小，重心低的自行车会更好，在控制平衡时，只需要很小的力就能使系统保持平衡状态[4]。于2020年，重庆大学的曾静在研究无人自平衡自行车系统时，也遵循了这个原则，选取了童车作为试验对象，不仅能够大大的降低研究时的成本开销，同时也减小了电机所需产生的力矩要求，避免了许多硬件上会遇到的问题[5]。

就在今年2月份，北京信息科技大学自动化学院的刘佩佩等人又对自行车结构进行了新的优化[6]，他们设计了一种曲柄滑块机构并采用滑膜控制器来控制自行车的转向，通过延长力臂，使转向电机在以同样功率输出力矩时，产生更大的力矩，借此降低了控制平衡的难度。

2.2辅助平衡装置

在选取自行车车身的同时，还要考虑控制车体平衡，车身是否要安装辅助平衡装置。如今对无人自行车进行控制的研究方法主要被分为有无辅助平衡装置，辅助平衡装置包括了动量轮，驱动动量轮的直流电机，以及陀螺仪与加速度计等传感器。

在不使用辅助平衡装置的自平衡自行车研究中，研究人员们一般会对车把的转向进行控制，驱动车把在自行车倾斜时进行摆动，借此使前轮带动车身保持平衡，早在1970年，DavidE.H.Jones在研究自行车的稳定问题时[7]，便采用了这种方法，他所设计的自行车UnridableBicycleMK1在前轮的基础上添加了一个辅助轮，增大了前轮对地的接触面积，同时使前轮更加的稳定，在骑行时不需要控制车把转向就能很好的保持平衡。

自行车的辅助平衡装置也被称为飞轮系统，当自行车系统不平衡时，为阻止系统的倾倒，与飞轮相连的直流电机会为飞轮提供其所需的力矩来驱动飞轮加速运动，使飞轮与自行车倾倒方向同向转动产生一个与系统倾倒时相反的力矩，使其相互抵消以保持自行车系统的平衡。通过安装这个装置，自行车的平衡能够更简单的控制，在结构的分析上不会过于繁琐，也因此近代以来越来越多学者在研究时更愿意辅以飞轮系统进行控制。2006年，南非的学者Yavin在进行对自行车机器人的平衡控制的研究时便使用