制作自平衡小车与PID控制

摘 要：自平衡小车的一个自动控制是我们自动化学生专业运用非常好的一次实践机会，自平衡小车是一个嵌入式的自动控制集成品，它由我们的控制芯片stm32控制整个小车的运动，芯片的控制指令根据外部编辑器准备好的代码确定。我们需要设计控制方案，对方案进行仿真和验证，所以说我们必须要对大学里面的各种专业课程有一定了解，能够融会贯通，对一些不懂的知识还要能够自学，最后方能拼出一幅成功的作品。

关键词：直立环;速度环;方向环

1 研究背景

随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前机器人研究领域的一个重要组成部分。并且其应用领域日益广泛，其所需适应的环境和执行的任务也更复杂，这就对移动机器人提出了更高的要求。比如，户外机器人要在凹凸不平的地面上行走，有时候机器人所需要行走的地方比较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，已成为现实生活应用中所需要面对的一个问题。

两轮自平衡小车就是在这些的需求下所产生的。这种机器人相对于其他移动机器人的最显著特点是：采用了两轮共轴，各自独立驱动的方式工作，车身重心位于车轴上方，通过车轮的前后滚动来保持车身的动态平衡，并可以在直立平衡状态下前进，后退左右转等任务。正是由于其特殊构造，两轮自平衡小车适应地形变化的能力较强，且运动灵活，体积小，结构简单，具有自平衡能力，可以胜任一些复杂环境中的工作。所以将会在民用和军事上广泛应用。

目前已知的两轮自平衡小车位置与姿态的获取，一般选择陀螺仪，加速度计，倾角计，测距仪等传感器，两轮自平衡小车多采用PID或极点配置法来进行平衡控制。我们采用的是mpu6050传感器。通过对车模角度的PID算法。原理和采用的是驱动平衡车轮子朝车身重心倾斜的方向前进，利用加速度来平衡前倾造成的重心不稳。

2 原理

小车平衡控制是通过负反馈来实现的。因为小车有两个轮子着地，车体只会在前后方向上发生倾斜。通过判断车身的倾斜方向，给以一个相同方向的加速度，控制轮子转动，抵消倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。

由上我们知道控制小车直立，需要三个控制量：

（1）控制小车平衡：通过控制两个电机正反向运动保持小车直立平衡状态;

（2）控制小车速度：通过调节小车的倾角来实现小车速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制;

（3）控制小车方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。

小车直立和方向控制任务都是直接通过控制小车两个后轮驱动电机完成的。假设小车电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制小车的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制小车直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。

小车的速度是通过调节小车倾角来完成的。小车不同的倾角会引起小车的加减速，从而达到对于速度的控制。三个分解后的任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（小车的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要小车已经能够保持直立控制;在方向控制的时候，需要小车能够保持平衡和速度恒定;同样，在小车平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。

小车平衡控制是通过控制轮子速度实现的，我们不妨把它看成是一个倒立摆，当我们的小车向一边倾斜时，其受到的回复力：

F=mgsin?-masin?

所以我们控制其倾角和轮子速度（可以补偿加速度a）就可以了。

3 PID控制

（1）速度与角度控制。我们采用了速度微分补偿加速度的方法，在速度和角度控制里面采用了两个都是pd的控制。角度控制主要输入是陀螺仪测量出来的角速度和角度，他们两个分别进行微分和比例调节，输出值输出到电机，对电机进行控制，速度控制的输入是直流电机测出来的速度的反馈值与给定的速度，根据检测出来的倾角反馈值，对其进行pd控制，输出的值也输出到电机，两个控制互不干扰，却互有联系，他们共同决定电机的控制。

（2）方向控制。转向控制是通过控制电机，其输入是电机输入的电压进行比例调节控制，另一个是根据陀螺仪反馈的倾角值和预先设定的倾角初值作为输入，判断小车的状态，进行微分调节，其输出和比例调节一同进行方向控制。

（3）运动控制。角度控制，速度控制，方向控制都是通过控制电机实现的，而转向，自平衡，倒地在自动站立，避障功能的实现都是通过这些控制实现的，转向控制，速度控制，倾角控制他们分别形成一个独立的控制环，却又相互联系，他們看似不相关，却在各个相同的物理量和反馈量，输入与其他环输出之间相互作用，所以他们的PID调节不是用计算，不是用仿真做出来的，他们不能根据计算和仿真得出结果，但三个环又是有同一个目的，有相同的控制量，联系是三者相互的，所以实实在在存在能够控制小车平衡的值，这个值满足三个环的控制条件，但这三个环的联系又太过复杂，没人能够说清楚，所以我们不能用matalab仿真和计算得出PID的值，我们只能通过先确定其中一个值，判断其他控制值一次次的上机调试，观察小车的平衡情况和运行的稳定性来判断小车的情况得出的控制参数的PID是否为我们的稳定参数所需要的PID和最终小车平衡时的PID。

4 结语

我们的优点是成本低，PID控制复杂多变难调，我们的缺点是缺乏新意，没有建设性联想到一些未开发的功能潜力，我们建议改变其中PID控制模型，我们的小车功能较少，建议加上其他功能，我们小车是基于平衡代步车的原理，其创新性低下，建议发现其使用领域并改动。在这次设计中，还有一些行动的优点，我们能够分工明确，积极表达自己观点的同时倾听队友意见，认真负责，不拖泥带水。

参考文献：

[1]陈波.基于神经网络PID控制的两轮自平衡小车研究[D].西南交通大学，2014：1-7.

[2]孙佳将.基于ARM的两轮自平衡车永磁电机驱动系统研究[D].华中科技大学，2015：1-38

作者简介：李楠（1998-），男，甘肃人，本科，研究方向：自动化智能制造方向。