劉一鐘+劉文浩

摘 要：系統(tǒng)程序基于c語言來控制Arduino對(duì)陀螺儀，加速器進(jìn)行取值，通過pid算法調(diào)控電機(jī)驅(qū)動(dòng)的pwm從而實(shí)現(xiàn)小車平衡，通過藍(lán)牙芯片建立手機(jī)app和Arduino的連接，從而實(shí)現(xiàn)遙控。

關(guān)鍵詞：Arduino；平衡；藍(lán)牙連接；

由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院"雙E"項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：20161816）

1 引言

Arduino自平衡小車是通過對(duì)陀螺儀取得當(dāng)前三軸偏移數(shù)據(jù)，通過pid算法進(jìn)行平衡調(diào)整，再對(duì)速度取值從而對(duì)其速度進(jìn)行調(diào)控，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平衡和移動(dòng)，在通過藍(lán)牙芯片與手機(jī)進(jìn)行通信。

2 社會(huì)背景

當(dāng)前在進(jìn)入一個(gè)越來越智能化的社會(huì)，繼智能家居、智能穿戴、智能辦公之后，智能電動(dòng)平衡車也已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活。智能平衡車是一款于13年前發(fā)明、于近兩年才火爆的產(chǎn)品，它也是代步工具類中最新的智能產(chǎn)品。智能類的產(chǎn)品總給人一種異常方便、簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的感覺，電動(dòng)平衡車也是如此。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市面上平衡車還十分稀缺，對(duì)于未來市場(chǎng)，方便攜帶的平衡車肯定會(huì)代替其他大型代步車輛，選用 Arduino 單片機(jī)控制自平衡小車肯定會(huì)大有前景，令人眼前一亮。

3 基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)稱的搭建車體，將各個(gè)模塊平均的分布在車體上，連接各個(gè)模塊，使用Arduino作為主控控制各個(gè)模塊，采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用算法得到因能夠給電機(jī)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)平衡。通過Android Studio來編寫能接能接收小車藍(lán)牙信號(hào)，發(fā)出信號(hào)的app，通過app調(diào)整其小車移動(dòng)。

4算法

比例調(diào)節(jié)的公式是：u（t） = Kp * e（t），e（t） = r（t） – c（t）

其中：r（t） 是設(shè)定值，就是你想讓被控系統(tǒng)某個(gè)參數(shù)所要保持的狀態(tài)值； c（t）是系統(tǒng)的這個(gè)參數(shù)的實(shí)際狀態(tài)值。

比例調(diào)節(jié)的過程就是即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，通過 Kp * e（t） 產(chǎn)生控制作用以減小偏差。理想的情況是有多大的誤差，通過這個(gè)調(diào)節(jié)作用之后，就能將誤差消除。但實(shí)際情況并非都是那么理想，Kp小了，修正不到位，Kp大了就會(huì)出現(xiàn)矯枉過正的現(xiàn)象。

5陀螺儀MPU6050 的應(yīng)用

為避免糾纏于電路細(xì)節(jié)，我們直接使用集成的MPU6050模塊。MPU6050的數(shù)據(jù)接口用的是I2C總線協(xié)議，因此我們需要Wire程序庫的幫助來實(shí)現(xiàn)Arduino與MPU6050之間的通信。請(qǐng)先確認(rèn)你的Arduino編程環(huán)境中已安裝Wire庫。

雖然6050模塊能夠輸出三軸加速度和三軸角速度的數(shù)據(jù)，但實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，直接使用的確不是這些量，而是需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)解算出三軸的角度數(shù)據(jù)。比如平衡小車，需要算出 模塊的俯仰角，然后控制算法根據(jù)角度大小控制小車輪子的移動(dòng)。四軸飛行器需要根據(jù)俯仰角度、滾轉(zhuǎn)角度，和飛行指令來調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

從6軸的原始數(shù)據(jù)得到三軸的角度計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算過程，有的童鞋可能會(huì)說，不就是三軸角速度積分不就行了嗎？這就是沒有實(shí)踐，想當(dāng)然的說法。有三點(diǎn)需要注意的問題：

1.三軸姿態(tài)的解算不能直接積分。因?yàn)槿S是有耦合的，只有在三軸角度為小角度的時(shí)候可以這么算，角度大了以后，比如60度了，這么算的誤差就很大。標(biāo)準(zhǔn)的做法是用四元數(shù)的方法做姿態(tài)解算，積分的方法可以用4階龍格-庫塔法，或者4階Gill法。詳情請(qǐng)參考：航空航天器運(yùn)動(dòng)的建?！w行動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ) 肖業(yè)倫著 北京航空航天大學(xué)出版社。

2.積分運(yùn)算的累積誤差。角速度積分運(yùn)算是有累積誤差的，累積誤差在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)不明顯，只要零點(diǎn)漂移處理得好了，1分鐘以內(nèi)的漂移都不大，但時(shí)間長(zhǎng)了，就會(huì)有累積誤差，5分鐘就漂到不知道哪里去了。

3.角速率零點(diǎn)漂移。所謂零點(diǎn)漂移就是模塊靜止的時(shí)候，我們認(rèn)為正常的輸出應(yīng)該是0，或者均值為0的數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上6050的輸出不是，可能在2°/s或者其他，而且每次都不一樣，如果不校準(zhǔn)，別說1分鐘了，10秒鐘誤差就有20度。

用加速度計(jì)算的確也是一種方法，但使用加速度也有三方面的問題：

1.無法在動(dòng)態(tài)情況下使用，使用重力的來解算姿態(tài)的前提條件是模塊本身沒有加速度，因此模塊輸出的三軸加速度值，正好是重力在模塊本體坐標(biāo)系下的分量，從而能夠求出俯仰和滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)角度。一旦模塊運(yùn)動(dòng)起來，這種方法就傻了，因?yàn)槟K無法分辨出哪些是重力的分量，那些是模塊本身的加速度引起的。目前市面上很多傾角儀就是這種思路，但問題就是沒法在動(dòng)態(tài)情況下使用，最簡(jiǎn)單的測(cè)試方法就是把模塊水平放置桌面上，緩慢運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)X，Y軸的角度基本不變化，都在0度左右，一旦快速運(yùn)動(dòng)起來，X，Y軸就顯示有很大的角度了。而實(shí)際上模塊一直水平，沒有變化。

2.精度差。6050模塊的加速度本身的精度不高，就算是在靜態(tài)情況下，角度測(cè)量的精度也只能到1°左右。

3.三軸耦合問題。利用加速度求解姿態(tài)的時(shí)候，也會(huì)有三軸耦合的問題，因?yàn)樽藨B(tài)表示與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)順序有關(guān)，這樣只有一種一個(gè)軸能用反正切值計(jì)算，另一個(gè)軸不能用反正切值計(jì)算。

6項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

1.通過手機(jī)app控制更是滿足了大部分人的需求。

2.兩輪自平衡更加穩(wěn)定更加新穎，體積較小。

3.應(yīng)用芯片較少，減少成本。