桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 朱劍芳

兩輪自平衡車的研究

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 朱劍芳

【摘要】兩輪自平衡車是一個高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，是一種特殊輪式移動車，其動力學(xué)系統(tǒng)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定性等特性，是研究各種控制方法的一個理想平臺。其工作原理是系統(tǒng)以姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）來監(jiān)測車身所處的俯仰狀態(tài)和狀態(tài)變化率，高速中央處理器ATmega16用PID算法運(yùn)用卡爾曼濾波得出的更優(yōu)傾角近似值，求出驅(qū)動電機(jī)的占空比PWM，驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度來達(dá)到車體前后平衡的效果。本文選用適當(dāng)?shù)目刂破?、?zhí)行電機(jī)和傳感器，設(shè)計(jì)出兩輪自平衡車的驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)了兩輪車的硬件控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】ATmega16；加速度傳感器；陀螺儀；PID算法；卡爾曼濾波

1 引言

兩輪自平衡車兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動、車身中心位于車輪軸上方，通過電機(jī)運(yùn)動保持車身平衡。由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。從研究意義上看，自平衡車系統(tǒng)是一個集外界感知、動態(tài)平衡決策與規(guī)劃、平衡控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)。

兩輪平衡車通過姿態(tài)檢測系統(tǒng)來實(shí)時檢測車身姿態(tài)及運(yùn)動狀態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)信息對小車進(jìn)行控制。因此，對于兩輪自平衡車來說，能夠精確并穩(wěn)定的檢測當(dāng)前車身傾角，是實(shí)現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵所在。目前有多重技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傾角檢測，但是實(shí)時性，經(jīng)濟(jì)性還不夠理想。采用MEMS陀螺儀和加速度計(jì)等慣性傳感器構(gòu)成的姿態(tài)檢測系統(tǒng)可以實(shí)時、準(zhǔn)確的檢測兩輪自平衡車的傾角。兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)的平衡是一種動態(tài)平衡。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。

2 兩輪平衡車總設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)利用ATmega16單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，通過接收和處理系統(tǒng)中各個模塊的數(shù)據(jù)，利用C語言編程完成整個系統(tǒng)不同模塊的控制。對驅(qū)動板控制以及傳感器數(shù)據(jù)處理是組成該系統(tǒng)的核心。根據(jù)兩輪自平衡車的特性，使用加速度傳感器以及陀螺儀兩種慣性導(dǎo)航傳感器來采集車體的傾角姿態(tài)信息，空心杯直流減速電機(jī)自帶光電編碼器用以采集電機(jī)速度信息。主控制芯片采用ATmega16微控制器來完成對數(shù)據(jù)采集以及處理、對車體姿態(tài)計(jì)算和判斷、空心杯直流減速電機(jī)控制及其他外圍的控制等功能。

根據(jù)系統(tǒng)要求，兩輪車必須要能夠在無外界干預(yù)下依靠一對平行的車輪保持平衡，并完成前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎等動作。分析系統(tǒng)要求可知，保持兩輪車的直立和運(yùn)動的動力都來自于車子的兩只車輪，車輪由兩只空心杯直流減速電機(jī)組成。驅(qū)動器采用差動驅(qū)動方式。因此，從控制角度來看，可以將小車作為一個控制對象，控制輸入量是兩個車輪的轉(zhuǎn)動速度。整個控制系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng)：

（1）兩輪車的平衡控制：以兩輪車傾角為輸入量，通過控制兩個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)保持小車衡。

（2）兩輪車的速度控制：在保持平衡的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)小車傾角實(shí)現(xiàn)對速度的控制，實(shí)際上還是演變?yōu)閷﹄姍C(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車的速度控制。

（3）兩輪車的方向控制：通過控制兩個電機(jī)間的轉(zhuǎn)速不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

兩輪自平衡車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過控制車模兩個驅(qū)動電機(jī)完成的，而速度控制則是通過調(diào)節(jié)小車傾角完成的。小車不同的傾角會引起車模的加減速，從而達(dá)到對小車速度的控制。三個子系統(tǒng)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對同一個控制對象（小車的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以各個子系統(tǒng)之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時，假設(shè)其它控制對象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時，需要小車已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制時，需要小車能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在小車平衡控制時，也需要速度和方向控制已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個任務(wù)是保持小車平衡是關(guān)鍵。由于小車同時受到三種控制的影響，從小車平衡控制的角度來看，其它兩個控制就成為干擾。因此對小車速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減少對平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過改變車模平衡控制中小車傾角設(shè)定值，從而改變車模實(shí)際傾斜角度，達(dá)到速度控制的要求。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。其中平衡控制是系統(tǒng)的最基本要求，也是整個控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。

3 兩輪自平衡小車軟件設(shè)計(jì)

一個傾角環(huán)，一個車速環(huán)。角速度傳感器（陀螺儀）IDG500（經(jīng)過硬件RC濾波，再接入ADC）、加速度傳感器ADXL322，二者kalman融合取得角度、角速度。本文對傳感器兩者所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了卡爾曼濾波優(yōu)化處理，補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差和加速度計(jì)的動態(tài)誤差，得到一個更優(yōu)的傾角近似值?；谠谶^程控制中，PID控制器一直是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器，它解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。同時在PID調(diào)節(jié)器中引入積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個零積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。本文采用PID算法運(yùn)用卡爾曼濾波得出的更優(yōu)傾角近似值，求出驅(qū)動電機(jī)的占空比，來實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡電動車姿態(tài)的平衡控制，采用卡爾曼濾波來優(yōu)化車體姿態(tài)，提高兩輪自平衡電動車的控制精度。結(jié)構(gòu)框架如圖1-1所示。

圖1-1 程序結(jié)構(gòu)框架

4 兩輪自平衡車系統(tǒng)調(diào)試

整定方法如下：

（1）調(diào)角度K值，調(diào)至平衡車基本能夠站立。

（2）調(diào)角速度K值，從零慢慢增加，這個K很小。太小的話，車子反應(yīng)遲鈍，好像沒有這項(xiàng)一樣，太大的話，車子抗擾能力變差，所以需要大量測試細(xì)心調(diào)至適當(dāng)位置。

（3）調(diào)水平速度K值的時候，要注意獲得的車速的精確性，同時城需要做好車速的低通濾波。濾波做好了，車速調(diào)節(jié)效果就很好，算位移的時候就很精確，不會有太快的漂移。

（4）位移K值也應(yīng)該很小，因?yàn)槭撬俣鹊睦塾?jì)，慢慢的漂移會變大，設(shè)定一個上下限，是為了防止漂移過大造成控制量過大。K值參數(shù)如表1-1所示。

表1-1 K值參數(shù)

5 結(jié)論

本文主要研究兩輪平衡車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過相應(yīng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車的動態(tài)平衡與運(yùn)動控制。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以ATMEL公司8位單片機(jī)Atmega16為控制核心，采用MEMS陀螺儀IDG500及MEMS加速度計(jì)ADXL322構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過MOS管組成的H橋電機(jī)驅(qū)動及旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車的姿態(tài)檢測與平衡控制。以及在保持兩輪平衡的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等基本動作。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

朱劍芳（1981-），講師，主要研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用，智能測控。