程楚錦 王龍 劉杰 黃心怡 劉天

摘 要：本文主要設(shè)計(jì)自平衡算法的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)和控制系統(tǒng)等組成，通過加速度計(jì)和陀螺儀等傳感器獲取車身姿態(tài)信息，并通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)自行平衡。轉(zhuǎn)向控制可以通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，速度控制可以通過PID控制實(shí)現(xiàn)。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，平衡效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：自平衡；轉(zhuǎn)速控制；螺儀

一、自平衡原理

自平衡移動(dòng)機(jī)器人的平衡控制原理，可以很直觀地從生活經(jīng)驗(yàn)中獲取。例如在生活中，拿一根筷子豎著擺放在手掌中，為了保持筷子不倒，需要用眼睛時(shí)刻觀察筷子的傾倒趨勢，同時(shí)手掌順著筷子傾倒的方向移動(dòng)，手掌移動(dòng)的速度需要跟隨筷子傾倒的速度，這樣才能保持筷子始終不倒。從中可以發(fā)現(xiàn)眼睛的觀察和手掌的移動(dòng)是兩個(gè)必備的條件，這樣便構(gòu)成了具有負(fù)反饋機(jī)制的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

二、自平衡移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

基于飛輪平衡控原理搭建了一款單輪車機(jī)器人，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出如圖2所示的自平衡移動(dòng)機(jī)器人，運(yùn)用飛陀螺效應(yīng)，采用兩側(cè)對稱分布的結(jié)構(gòu)形式將飛輪安裝在樣機(jī)上，通過雙飛輪進(jìn)行橫滾方向和航向角度的控制，并將機(jī)器人整體看作倒立擺進(jìn)行俯仰控制。

三、自平衡移動(dòng)機(jī)器系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

自平衡移動(dòng)機(jī)器人控制方法主要包括姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向控制和速度控制。姿態(tài)控制是指通過加速度計(jì)和陀螺儀等傳感器獲取車身姿態(tài)信息，并通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)自行平衡。轉(zhuǎn)向控制可以通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，速度控制可以通過PID控制實(shí)現(xiàn)。此外，還可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)等算法實(shí)現(xiàn)更加智能化的控制方法。常用的算法包括PID控制算法、卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

（一）PWM電機(jī)調(diào)速

先對電機(jī)調(diào)速以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，是利用PWM技術(shù)，并根據(jù)需要改變占空比，從而達(dá)到來改變直流電機(jī)上電壓的占空比，進(jìn)而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3所示。

（二）姿態(tài)解算

陀螺儀和加速度數(shù)據(jù)的融合（MPU6050）當(dāng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速之后，如何獲取姿態(tài)信息，采用MPU6050測小傾斜的角度。mpu6050是一個(gè)加速度計(jì)和角速度計(jì)集成一體的六軸芯片?？梢詼y出當(dāng)前物體的加速度和角速度。然后融合得出當(dāng)前姿態(tài)角，采用融合濾波的方法實(shí)現(xiàn)2種傳感器的數(shù)據(jù)融合，以克服加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差和陀螺儀的漂移誤差，即以加速度計(jì)獲得的角度信息對陀螺儀輸出信息進(jìn)行校正，通過對比積分所得到的角度與加速度所得到的角度之間的偏差來改變陀螺儀的輸出，從而使積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。該方法利用加速度計(jì)所獲得的角度信息與陀螺儀積分后的角度進(jìn)行比較，將比較的誤差信號經(jīng)過比例系數(shù)1/Tg放大后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加然后進(jìn)行積分。對于加速度計(jì)給定的角度，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度。數(shù)據(jù)濾波融合過程如圖4所示：

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課題項(xiàng)目：湖北汽車工業(yè)學(xué)院2023年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“智能車度獨(dú)輪組”（DC2023094）。