摘 要：自平衡小車的一個(gè)自動(dòng)控制是我們自動(dòng)化學(xué)生專業(yè)運(yùn)用非常好的一次實(shí)踐機(jī)會(huì)，自平衡小車是一個(gè)嵌入式的自動(dòng)控制集成品，它由我們的控制芯片stm32控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)，芯片的控制指令根據(jù)外部編輯器準(zhǔn)備好的代碼確定。我們需要設(shè)計(jì)控制方案，對(duì)方案進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，所以說我們必須要對(duì)大學(xué)里面的各種專業(yè)課程有一定了解，能夠融會(huì)貫通，對(duì)一些不懂的知識(shí)還要能夠自學(xué)，最后方能拼出一幅成功的作品。

關(guān)鍵詞：直立環(huán);速度環(huán);方向環(huán)

1 研究背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷深入，成為目前機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。并且其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，其所需適應(yīng)的環(huán)境和執(zhí)行的任務(wù)也更復(fù)雜，這就對(duì)移動(dòng)機(jī)器人提出了更高的要求。比如，戶外機(jī)器人要在凹凸不平的地面上行走，有時(shí)候機(jī)器人所需要行走的地方比較狹窄等。如何解決機(jī)器人在這些環(huán)境中運(yùn)行的問題，已成為現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中所需要面對(duì)的一個(gè)問題。

兩輪自平衡小車就是在這些的需求下所產(chǎn)生的。這種機(jī)器人相對(duì)于其他移動(dòng)機(jī)器人的最顯著特點(diǎn)是：采用了兩輪共軸，各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式工作，車身重心位于車軸上方，通過車輪的前后滾動(dòng)來保持車身的動(dòng)態(tài)平衡，并可以在直立平衡狀態(tài)下前進(jìn)，后退左右轉(zhuǎn)等任務(wù)。正是由于其特殊構(gòu)造，兩輪自平衡小車適應(yīng)地形變化的能力較強(qiáng)，且運(yùn)動(dòng)靈活，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，具有自平衡能力，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境中的工作。所以將會(huì)在民用和軍事上廣泛應(yīng)用。

目前已知的兩輪自平衡小車位置與姿態(tài)的獲取，一般選擇陀螺儀，加速度計(jì)，傾角計(jì)，測距儀等傳感器，兩輪自平衡小車多采用PID或極點(diǎn)配置法來進(jìn)行平衡控制。我們采用的是mpu6050傳感器。通過對(duì)車模角度的PID算法。原理和采用的是驅(qū)動(dòng)平衡車輪子朝車身重心傾斜的方向前進(jìn)，利用加速度來平衡前傾造成的重心不穩(wěn)。

2 原理

小車平衡控制是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樾≤囉袃蓚€(gè)輪子著地，車體只會(huì)在前后方向上發(fā)生傾斜。通過判斷車身的傾斜方向，給以一個(gè)相同方向的加速度，控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。

由上我們知道控制小車直立，需要三個(gè)控制量：

（1）控制小車平衡：通過控制兩個(gè)電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)保持小車直立平衡狀態(tài);

（2）控制小車速度：通過調(diào)節(jié)小車的傾角來實(shí)現(xiàn)小車速度控制，實(shí)際上最后還是演變成通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)車輪速度的控制;

（3）控制小車方向：通過控制兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)差速實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向控制。

小車直立和方向控制任務(wù)都是直接通過控制小車兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的。假設(shè)小車電機(jī)可以虛擬地拆解成兩個(gè)不同功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們同軸相連，分別控制小車的直立平衡、左右方向。在實(shí)際控制中，是將控制小車直立和方向的控制信號(hào)疊加在一起加載電機(jī)上，只要電機(jī)處于線性狀態(tài)就可以同時(shí)完成上面兩個(gè)任務(wù)。

小車的速度是通過調(diào)節(jié)小車傾角來完成的。小車不同的傾角會(huì)引起小車的加減速，從而達(dá)到對(duì)于速度的控制。三個(gè)分解后的任務(wù)各自獨(dú)立進(jìn)行控制。由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象（小車的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以它們之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時(shí)假設(shè)其它控制對(duì)象都已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時(shí)，需要小車已經(jīng)能夠保持直立控制;在方向控制的時(shí)候，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(shí)，也需要速度和方向控制也已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。

小車平衡控制是通過控制輪子速度實(shí)現(xiàn)的，我們不妨把它看成是一個(gè)倒立擺，當(dāng)我們的小車向一邊傾斜時(shí)，其受到的回復(fù)力：

F=mgsin?-masin?

所以我們控制其傾角和輪子速度（可以補(bǔ)償加速度a）就可以了。

3 PID控制

（1）速度與角度控制。我們采用了速度微分補(bǔ)償加速度的方法，在速度和角度控制里面采用了兩個(gè)都是pd的控制。角度控制主要輸入是陀螺儀測量出來的角速度和角度，他們兩個(gè)分別進(jìn)行微分和比例調(diào)節(jié)，輸出值輸出到電機(jī)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，速度控制的輸入是直流電機(jī)測出來的速度的反饋值與給定的速度，根據(jù)檢測出來的傾角反饋值，對(duì)其進(jìn)行pd控制，輸出的值也輸出到電機(jī)，兩個(gè)控制互不干擾，卻互有聯(lián)系，他們共同決定電機(jī)的控制。

（2）方向控制。轉(zhuǎn)向控制是通過控制電機(jī)，其輸入是電機(jī)輸入的電壓進(jìn)行比例調(diào)節(jié)控制，另一個(gè)是根據(jù)陀螺儀反饋的傾角值和預(yù)先設(shè)定的傾角初值作為輸入，判斷小車的狀態(tài)，進(jìn)行微分調(diào)節(jié)，其輸出和比例調(diào)節(jié)一同進(jìn)行方向控制。

（3）運(yùn)動(dòng)控制。角度控制，速度控制，方向控制都是通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)向，自平衡，倒地在自動(dòng)站立，避障功能的實(shí)現(xiàn)都是通過這些控制實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)向控制，速度控制，傾角控制他們分別形成一個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)，卻又相互聯(lián)系，他們看似不相關(guān)，卻在各個(gè)相同的物理量和反饋量，輸入與其他環(huán)輸出之間相互作用，所以他們的PID調(diào)節(jié)不是用計(jì)算，不是用仿真做出來的，他們不能根據(jù)計(jì)算和仿真得出結(jié)果，但三個(gè)環(huán)又是有同一個(gè)目的，有相同的控制量，聯(lián)系是三者相互的，所以實(shí)實(shí)在在存在能夠控制小車平衡的值，這個(gè)值滿足三個(gè)環(huán)的控制條件，但這三個(gè)環(huán)的聯(lián)系又太過復(fù)雜，沒人能夠說清楚，所以我們不能用matalab仿真和計(jì)算得出PID的值，我們只能通過先確定其中一個(gè)值，判斷其他控制值一次次的上機(jī)調(diào)試，觀察小車的平衡情況和運(yùn)行的穩(wěn)定性來判斷小車的情況得出的控制參數(shù)的PID是否為我們的穩(wěn)定參數(shù)所需要的PID和最終小車平衡時(shí)的PID。

4 結(jié)語

我們的優(yōu)點(diǎn)是成本低，PID控制復(fù)雜多變難調(diào)，我們的缺點(diǎn)是缺乏新意，沒有建設(shè)性聯(lián)想到一些未開發(fā)的功能潛力，我們建議改變其中PID控制模型，我們的小車功能較少，建議加上其他功能，我們小車是基于平衡代步車的原理，其創(chuàng)新性低下，建議發(fā)現(xiàn)其使用領(lǐng)域并改動(dòng)。在這次設(shè)計(jì)中，還有一些行動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，我們能夠分工明確，積極表達(dá)自己觀點(diǎn)的同時(shí)傾聽隊(duì)友意見，認(rèn)真負(fù)責(zé)，不拖泥帶水。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：李楠（1998-），男，甘肅人，本科，研究方向：自動(dòng)化智能制造方向。