王宇坤，陳沃源

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 江門 529090）

1 緒論

平衡車利用地心引力使其保持自身平衡，同時將自身所受重力作為運動動能的提供者。平衡車的種種優(yōu)點使其可以作為一種環(huán)保、安全、舒適、快速交通工具。平衡車由于自身構(gòu)造在運動過程中不能自我實現(xiàn)平衡，需要控制兩個車載電機的來維持姿態(tài)的穩(wěn)定，通過傳感器實時檢測車體姿態(tài)、通過控制算法產(chǎn)生調(diào)整信號，從而控制電動車平衡，對傳感器數(shù)據(jù)的處理和控制算法的設(shè)計是制作平衡車的難點，同時平衡車是一種非線性系統(tǒng)，建模和控制難度大，具有較強的理論研究價值。

2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證

選擇STM32F103ZET6作為平衡車主控芯片，使用陀螺儀傳感器和加速度傳感器讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而實時獲取平衡車的相關(guān)姿態(tài)數(shù)據(jù)，由于兩種傳感自身的偏差，本文通過互補濾波的方式最大限度的消除傳感器誤差，融合后的數(shù)據(jù)通過閉環(huán)PI控制器后輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動模塊放大后控制電機，同時為了便于升級調(diào)試本文擴展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調(diào)試。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 濾波器

如果只使用加速度計或者陀螺儀其中一個，都無法提供一組準確的平衡車姿態(tài)信息，從而無法實現(xiàn)小車平衡。本文采用加速度計和者陀螺儀共同提供車體姿態(tài)信息，兩個輸出數(shù)據(jù)采用互補濾波方法來融合，單一傳感器輸出數(shù)據(jù)均不準確，但互補濾波后的數(shù)據(jù)很好的彌補陀螺儀和加速度計各自的偏差，從而可以得到一個較好的傾角近似值。該濾波器的實現(xiàn)算法如圖2所示。

圖2 互補濾波器算法流程圖

3.2 PID控制器設(shè)計

本采用角度環(huán)加速度速度環(huán)的雙閉環(huán)PI控制的方法來實現(xiàn)小車的平衡控制。信號流圖如圖3所示。

圖3 PID控制流圖

本設(shè)計采用雙閉環(huán)PI控制，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，經(jīng)內(nèi)環(huán)運算后得到電機驅(qū)動信號，控制車輪轉(zhuǎn)速與角度環(huán)輸出轉(zhuǎn)速給定值保持一致；外環(huán)為車體姿態(tài)角控制環(huán)，用于控制小車傾斜角度，如果傾斜角多大小車失去平衡影響使用，而外環(huán)PI輸出即為內(nèi)環(huán)給定。

4 結(jié)語

本設(shè)計的研究對象為兩輪平衡小車，主要內(nèi)容為兩輪平衡小車硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過熱測試和模擬故障測試，驗證硬件電路可靠性、實用性，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。軟件主要采用加速度計和陀螺儀作為檢查設(shè)備，并將采樣數(shù)進行融合得到小車傾角信息，傾角信息通過設(shè)計雙閉環(huán)PI控制器后能夠控制車體平衡，通過載人實驗驗證了算法可靠性和準確性，可以實現(xiàn)加減速運行、轉(zhuǎn)向運行、急速剎車等功能，基本達到正常使用要求。

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