[发明专利]一种可搭载旋转LED的平衡小车系统及控制方法

权利要求书

1.一种可搭载旋转LED的平衡小车系统，其特征在于，包括平衡小车机构、旋转LED、姿态检测和平衡控制系统；

所述平衡小车机构包括小车上底板(8)、小车下底板(10)、小车直流电机及其编码器(12)、电机支架(11)、小车轮胎(13)、固定铜柱(9)；所述小车上底板(8)、小车下底板(10)之间通过固定铜柱(9)连接；小车下底板(10)设置有电机支架(11)，电机支架(11)放置小车直流电机及其编码器(12)，小车直流电机及其编码器(12)带动小车轮胎(13)转动；

所述旋转LED包括旋转电路板及其立体板(1)、圆盘固定板(4)、铜柱(6)、旋转电机(3)及其编码器、旋转电机固定板(2)、无线供电模块、遥控器、旋转底盒(5)；所述小车上底板(8)上设置有旋转底盒(5)，旋转底盒(5)上设置旋转电机(3)，所述小车上底板(8)上通过铜柱(6)平行固定连接圆盘固定板(4)，圆盘固定板(4)用于固定旋转电机(3)的上侧，旋转电路板及其立体板(1)下端连接旋转电机固定板(2)，旋转电机固定板(2)整体作为一个电机轴承，连接旋转电机(3)和旋转电路板；无线供电模块分为无线供电发射端和接收端，接收端集成在旋转电路板上，通过线圈得到感应电压，给旋转电路板及其立体板(1)供电；遥控器是一种红外发射器，能够和旋转电路板及其立体板(1)上的红外接收器通讯，实现对旋转LED的图案控制；

所述姿态检测和平衡控制系统包括主控板(7)、降压模块、超声波传感器、显示屏、姿态传感器、电机驱动模块、通讯模块；所述主控板分别连接超声波传感器、显示屏、姿态传感器、通讯模块、电机驱动模块；所述降压模块和旋转电机(3)、无线供电模块、主控板(7)、电机驱动模块、小车直流电机及其编码器(12)相连，固定于旋转底盒(5)中，用作为提供不同电压的电源；姿态传感器用于得到小车的姿态数据，超声波传感器用于判断小车前方是否有阻挡物，所述显示屏用于人机交互，能够对小车的工作状态进行实时反应；所述电机驱动模块实现主控板对旋转电机、小车车轮电机的实时控制；所述通讯模块的从机设置在小车本体上，主机设置在上位机上，通过上位机对小车传输显示LED、前进、后退命令；

主控板(7)用于实现平衡控制算法过程如下：

步骤a，获取旋转LED的具体参数，对旋转稳定时候进行物理分析，求取旋转LED对小车的干扰力；

步骤b，建立两轮自平衡小车数学模型，得到系统线性化模型；

步骤c，建立线性化模型的简化状态方程，对小车搭载能力进行评估，如果小车能够搭载，进行步骤d，否则更换零件，以满足搭载条件；

步骤d，对串级PID的控制参数进行整定调整；

步骤e，实时状态检测，直立环，角度环，速度环控制，得到电机输出量并输入电机；

步骤f，重复步骤d，步骤e多次后，最终达到平衡状态，实现对旋转LED的搭载；

旋转LED对小车的干扰力为：

为半个周期T/2向前的平均作用力，其中，ω为旋转LED绕定轴转动的总角速度，m_l是旋转LED的质量差，F为刚体旋转时对主轴的作用力合力，n为电机转速，r是刚体的质心与转轴之间的距离；另一个周期的平均作用力-大小相同，方向相反；将以上的平均作用力作为对小车的干扰力；

所述步骤c中，简化状态空间表达式为：

其中，为车轮的加速度，为小车的角加速度；M为假设包括旋转LED的小车总质量，R为电机电阻，m为刚体质量，Km为转矩转化常数，K_e为反电动势，L为质心距小车下平台的距离；ω为电机的转子角速度，g为重力加速度，是车轮水平方向的速度，是车轮水平方向的加速度，v为驱动电机的电枢电压，I_ω是车轮惯量，I_p是车体惯量，f(t)为小车的水平推力，r为轮胎半径，x(t)为小车位移；其中，

状态变量代表了小车的车轮位移、车轮的速度、小车的倾角和小车的角速度；此状态方程用来研究小车的搭载能力，将旋转LED对于小车的平均作用力取最大值，将小车本体具体参数输入，带入上式的状态方程得到各种系数矩阵，得出搭载时候需要的最少电机驱动力，小车的倾角可控范围。