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直立车控制，我之初见

直立车控制，我之初见

海南大学越努力越幸运

前言

首先我想说仅凭华南赛区一等奖的成绩是完全不应该大言不惭的写这些东西，但是又想

和大家分享我做直立车一年的经验，其一算是自己对直立车看法的一些总结，再者也是希望

能给以后入门车友们一些建议，让他们尽量少走弯路，所以还是决定写点东西。

然而，从执笔到停笔，不经意洋洋洒洒写了一万多字，庆幸的是整篇文章并不是我一人

的片面之言，而是综合了颇多获得国特、国一和其他有想法有见解的车友的对直立车的认识

与看法，忽略我，此文可谓集大家之成，由此我认为这篇文章是具有一定的参考意义的。所

以希望有心之人能认真阅读。

自认为这是应该算是一篇直立车的入门教程，但由于本人的水平有限，所以肯定有不当

之处，因此还请大家海涵，也期待你们能指正并不吝赐教。同时衷心希望借此机会与大家互

相学习、共同进步！

最后，十分感谢一路走来车友们对我的帮助与支持以及他们与我真诚地交流，谢谢！

换一种思维理解直立车

在阅读我后面逐个讲解直立、速度、转向及机械这一大堆废话之前，我想首先用最通俗

的言语和你们讨论直立车到底是如何实现直立、跑动以及转向的。

上图是以我的理解画的简化后的直立小车受力分析图，主要由电池、底盘、车轮以及电

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机组成。假如我们已经组装了一辆具有机械零位的小车，平衡位置上图所示，也就是这个位

置是它能够站起来的状态，如果受外力前倾或者后仰，小车就会倒下。前倾和后仰都是绕车

轴旋转，为什么会旋转？其实就是小车合力矩越过了过车轴并垂直地面的支点线。简单的理

解可以认为前部分弯矩大于后部分弯矩就往前趴；后部分弯矩大于前部分弯矩就向后仰。

我们仔细分析这张图来理解小车是如何稳定的立起来的，这里我就不采用经典的单摆模

型去解释了，而是根据上图由系统受力平衡去分析。我们知道弯矩是力矩的一种，即是力和

力臂的乘积，小车有机械零位也就是存在除车轮以外无其他部位接触地面时的平衡位置。立

起来的小车在外界干扰下偏离此位置时，前后力矩由于力臂长度的改变从而不再相等即打破

平衡状态，因此若不引入电机的干扰小车就会倒下。而电机的输出其实是转矩，转矩是什么

呢？其实也是一种力矩。转矩除以旋转半径就是力了，也就是我图中电机处浅蓝色的箭头所

代表的力，这个力的方向和与电机齿轮啮合的传动齿轮啮合处的切线平行，如果是啮合的很

好的齿轮的话那就是分度圆的切线。它的正负方向因电机旋转的方向而改变。因此我们就明

白了，小车直立的时候，若是往前倾，电机这个作用于车身上的力就往后拉，若是小车后

仰，电机转矩就产生往前拉的力来使小车回到平衡位置而立住。

那么小车是如何向前跑的呢？理解了直立，再来理解速度其实就不难了。如果利用直立

环的控制将小车立在其机械零位，小车是不会跑的。因为电机的作用就是为了让小车回到

这个平衡位置，这个位置的系统受力是平衡的，因此，这个位置只要电机转动就会产生力

的作用，从而产生力矩，破坏系统的平衡状态。那么怎样的位置电机转动往前跑小车还能

不倒？这个位置就是小车在非机械零位处站住的位置。这是什么意思？我们可以这样理解，

比如说我们想要小车立在前倾某个角度的位置，这个时候，我们通过受力分析可以知道，小

车前部分的弯矩必将大于后部分的弯矩，直立环要使小车不向前旋转倾倒，电机就得对底盘

有力的作用也就是有转矩的输出转化为能够平衡小车向前的合力矩的力矩，于是小车就跑起

来了。

而关于小车是如何转向的。这就十分简单了，小车两个轮子的转速不同就转向了。这就

叫两轮差速转向。

值得一提的是，两轮车的转向半径的极限不同于四轮车。四轮车最小转向半径由转向舵

机、转向传动安装方法及前轮安装方式有关一般不能太小，最大转向半径理论也是无穷大。

两轮车的最小转向半径就是轮距的一半，最大转向半径理论上也是无穷大的。说到这我们其

实可以通过限制两轮的转速差对直立车的最小转弯半径做一个限幅，避免转向环节出现极端

情况。

直立车控制，我之初见

说到这也许有人会觉得直立车小车两个轮子负责了直立、速度和转向会有点应付不过来，

其实只要控制得好是没有问题的。话又说回来，这三个任务其实可以看成两个任务，即把直

立和速