無人自行車平衡控制的研究綜述

王淇任　林昶濤　肖騰飛

摘 要：調查了對無人自行車平衡控制的發展史，了解并總結了近年來學者們在研究的過程中在結構以及控制上的優化和解決的一些技術問題，最后對無人自行車的未來發展進行展望并總結內容。文章作為綜述性論文主要針對無人自行車平衡控制的結構優化和控制優化兩個方面進行了討論，結合了從自平衡穩定概念誕生以來至今的一些文獻，對其平衡系統的發展進行了總結概括，并對無人自行車的投入使用寄予期望。

關鍵詞：無人自行車 平衡控制

1 引言

由于輕量級、簡單的設計和易于操縱的特點，自行車深受人們所喜愛，世界上第一輛自行車是德國巴登男爵卡爾·馮·德萊斯于1817年研制出來的一種木輪車，它有車把可以控制方向，這輛木質自行車對人類有著重大貢獻，為日后自行車的更迭換代打下了基礎，它的誕生距今已有上百年時間。

隨著社會科技與經濟實力的不斷發展，人們的生活也變得越發富足了起來，人們對生活的追求已經從僅僅解決個人的溫飽問題逐漸轉變為更加舒適、健康的生活，因此，人們越來越追求精致的智能生活，智能手環，智能家居，智能汽車等產品的相繼出現，進一步推動了“互聯網+”的熱潮，智能化生活已成為時代之大勢所趨，在今天，自行車也因為本身使用率極高，而突然立于這一課題的風口浪尖，傳統自行車正面臨著科技智能化的挑戰[1]。

眾所周知，自行車的平衡性與其行進速度的快慢息息相關，行駛速度越快，自行車的平衡性也就越穩定，騎行者能夠通過左右擺動車把輕松控制自行車的行進方向，而當自行車處于低速或者完全靜止，或受到外力影響的情況下，騎行者無法通過控制車把而使自行車長時間保持平衡，所以，若要使自行車實現智能化，其需要解決的最根本的問題便是車體的平穩性。

以下論文將對近年來無人自行車平衡系統的發展史進行概述，總結在研究中所出現的優缺點，并對無人自行車的發展前景寄予期望。

2 結構優化

2.1 車身結構

一輛普通的自行車的基礎結構主要包括：導向、制動以及驅動系統。早在19世紀whpple等人就在對自行車動力學的研究中提及了關于自行車自平衡的機械問題[2]，但受限于技術上的困難，并沒有對此做出過于深入的研究。長久以來，研究人員們為了保障自行車在無人操控的情況下也能夠保持平衡狀態行進，在自行車的結構方面不斷的進行優化，并使用了許多方法進行論證和試驗。

針對無人自行車進行結構上優化這一難題，我國首次對此進行研究是由學者劉延柱在1990年所發布的對人車系統穩定性的探討中指出的此前國外學者將騎行者與車身視為一體以此進行分析的不合理結論，并憑借大量數據進行對比分析糾正了此類錯誤[3]。

此后，國防科技大學的王路斌在對無人自行車的建模與控制的討論中，通過多次設計無人自行車的系統和機構，并在用MATLAB進行了仿真分析后，發現了在選取系統主體時采用質量和尺寸較小，重心低的自行車會更好，在控制平衡時，只需要很小的力就能使系統保持平衡狀態[4]。于2020年，重慶大學的曾靜在研究無人自平衡自行車系統時，也遵循了這個原則，選取了童車作為試驗對象，不僅能夠大大的降低研究時的成本開銷，同時也減小了電機所需產生的力矩要求，避免了許多硬件上會遇到的問題[5]。

就在今年2月份，北京信息科技大學自動化學院的劉佩佩等人又對自行車結構進行了新的優化[6]，他們設計了一種曲柄滑塊機構并采用滑膜控制器來控制自行車的轉向，通過延長力臂，使轉向電機在以同樣功率輸出力矩時，產生更大的力矩，借此降低了控制平衡的難度。

2.2 輔助平衡裝置

在選取自行車車身的同時，還要考慮控制車體平衡，車身是否要安裝輔助平衡裝置。如今對無人自行車進行控制的研究方法主要被分為有無輔助平衡裝置，輔助平衡裝置包括了動量輪，驅動動量輪的直流電機，以及陀螺儀與加速度計等傳感器。

在不使用輔助平衡裝置的自平衡自行車研究中，研究人員們一般會對車把的轉向進行控制，驅動車把在自行車傾斜時進行擺動，借此使前輪帶動車身保持平衡，早在1970年，David E. H. Jones在研究自行車的穩定問題時[7]，便采用了這種方法，他所設計的自行車Unridable Bicycle MK1在前輪的基礎上添加了一個輔助輪，增大了前輪對地的接觸面積，同時使前輪更加的穩定，在騎行時不需要控制車把轉向就能很好的保持平衡。

自行車的輔助平衡裝置也被稱為飛輪系統，當自行車系統不平衡時，為阻止系統的傾倒，與飛輪相連的直流電機會為飛輪提供其所需的力矩來驅動飛輪加速運動，使飛輪與自行車傾倒方向同向轉動產生一個與系統傾倒時相反的力矩，使其相互抵消以保持自行車系統的平衡。通過安裝這個裝置，自行車的平衡能夠更簡單的控制，在結構的分析上不會過于繁瑣，也因此近代以來越來越多學者在研究時更愿意輔以飛輪系統進行控制。2006年，南非的學者Yavin在進行對自行車機器人的平衡控制的研究時便使用了飛輪系統，他將飛輪安置于底座上，即靠近自行車重心處，使自行車即使是在低速行駛下也能保持平衡[8]，此外，他還提出了使用轉動桿平衡器來保持自行車的平衡，對這兩種平衡裝置都進行了分析，并通過拉格朗日方程分別建立了這兩種平衡器工作時的模型。[9]

3 控制優化

飛輪系統與無人自行車控制的結合首次受到全世界人們的廣泛關注是在2008年在日本千葉市的幕張展覽館中所出現的作為村田制造所的企業形象代理人之一的“村田頑童”，這是一個能夠騎自行車的機器人，其始終保持平衡的能力正是通過該機器人胸口處的飛輪系統所保障的，這次的亮相使大部分人第一次對無人自行車的研究有了認識[10]。

在飛輪系統這一輔助平衡裝置出現后，無人自行車的平衡控制問題得到了很好的解決，越來越多的學者也開始加入到了對無人自行車的研究中來，而對自行車平衡進行控制的技術也逐漸被重視了起來，研究人員們對此進行了許多研究。

2015年，河南工程學院的陳素霞等人基于陀螺儀對無人自行車的控制技術進行了分析，通過對平衡系統的建模分析，將系統運動進行了線性化處理，有效的將自行車與陀螺儀的傾角穩定在了一個微小的范圍內，為無人自行車平衡系統的研究提供了重要的參數依據[11]。

同年，桂林電子科技大學的李勇等人在對兩輪自平衡機器人的研制中，以單飛輪自平衡實驗為基礎，以STM32單片機為系統主控制器，設計出了具有雙飛輪的自平衡機器人，該研究將兩個飛輪組件分別置于機器人的前后端進行獨立控制，兩個飛輪繞各自偏轉軸進行轉動，通過偏轉電機控制使其不斷的修正力矩，實驗結果證明了其在受到外力影響下仍能夠很好的平衡能力，以及比單飛輪更能夠抵抗外部強烈沖擊的特點[12]，驗證了雙飛輪控制平衡的可行性。

廣東工業大學的熊超偉等人在2018年對自平衡小車的自平衡系統的PID控制算法進行了研究，該控制算法基于STM32微處理器對直立PID控制器進行了閉環控制，通過姿態傳感器不斷向主控制器反饋小車當前狀態量并調整電機轉速與角度，實現了單軌車輛的自平衡控制[13]。

于2022年，大連理工大學的許自鵬在研究無人自行車控制的過程中采用了變論域模糊滑模的控制方法，在自行車行駛的過程中通過狀態觀測器觀察平衡出現的數據誤差，再由滑?？刂破髋c模糊控制器實時對平衡控制調節參數，通過該方法能夠大大提高自行車在平衡過程中的抗干擾能力[14]。

此外，在對角動量輪的控制上，東北林業大學的學者孟劍新等人提出了新的技術創新，在使用了加速度計和陀螺儀的基礎上使用了一款微控制器集成的CH100姿態傳感器獲取自行車姿態信息，并且加入了一階低通濾波減少電機抖動對該姿態傳感器的所測得數值的影響，另外，孟劍新等人還引入了二階巴特沃斯濾波和卡爾曼濾波進行融合，再次對一階濾波處理出來的值進行消抖，大大提高了傳感器所采集到的當前狀態值的穩定性，在進行對舵機控制的PID的調參上也能夠使最終輸出值保持在一個穩定的狀態[15]（表１）。

4 未來展望

如今，人們在騎行自行車的過程中仍存在著較大的隱患性，道路使用者、

載具特性、基礎設施、環境和暴露性是其最主要的危險來源[16]。而無人自行車的發展將會大大提高其安全性，通過其傳感器能夠自動控制自行車的速度、方向以及轉彎等動作，實現人車之間的智能互動，減少人們在騎行自行車時出現的危險性。

無人自行車的研究將是未來智能交通不可缺少的一個重要發展方向。在未來，若將其投入到人們的日常出行中，還能夠通過智能控制極大的減少道路的交通擁堵并避免一些因人為因素所導致的交通事故。

隨著我國綠色出行政策的推出，為響應國家號召，自行車必將成為人們不可或缺的代步工具，此外，無人駕駛自行車或許還能夠解決物流行業在近距離運送輕量級貨物時的成本問題，并大大提高運輸效率。經過歷代學者對自行車平衡系統研究的不斷優化和改善，無人自行車會在智能化的道路上不斷進步，并終將進入到人們的生活中來，為人們帶來便利。

5 總結

本次研究我們查詢了大量的文獻，總結了自行車在自平衡系統上的優化，分別對其結構和控制上的優化進行了研究，研究了無人自行車的平衡系統發展史，總結并對比了學者們在研究過程中所解決的問題，對于未來無人自行車的發展，期望其能夠在不遠的未來投入到人們的日常生活當中，解決人們現今在騎行自行車時所產生的一些安全問題。

參考文獻：

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[4]王路斌. 無人自行車建模與控制[D].長沙：國防科學技術大學，2007.

[5]曾靜. 無人自平衡自行車系統的設計[D].重慶：重慶大學，2020.

[6]劉佩佩，周亞麗，張奇志.基于滑?？刂频臒o人駕駛自行車設計與仿真[J].計算機仿真，2023，40（02）：449-453+465.

[7]David E. H. Jones. The stability of the bicycle[J]. Physics Today，1970，23（4）：34-40.

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[12]李勇，耿建平，林群煦，張弓，王衛軍.基于雙飛輪陀螺效應的兩輪自平衡機器人的研制[J].機電產品開發與創新，2015，28（06）：14-16+28.

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[14]許自鵬. 基于變論域模糊滑模的無人自行車控制[D].大連：大連理工大學，2022.

[15]孟劍新，張海若，栗昊，李丹丹.基于角動量輪控制的無人駕駛自行車的實現[J].科技創新與生產力，2023（02）：100-104.

[16]葉陳凝.自行車使用者關于危險騎行行為的影響因素綜述[J].中國高新科技，2021（16）：157-158.