基于PI控制器的兩輪平衡小車(chē)設(shè)計(jì)

王宇坤，陳沃源

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 江門(mén) 529090）

1 緒論

平衡車(chē)?yán)玫匦囊κ蛊浔３肿陨砥胶?，同時(shí)將自身所受重力作為運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的提供者。平衡車(chē)的種種優(yōu)點(diǎn)使其可以作為一種環(huán)保、安全、舒適、快速交通工具。平衡車(chē)由于自身構(gòu)造在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能自我實(shí)現(xiàn)平衡，需要控制兩個(gè)車(chē)載電機(jī)的來(lái)維持姿態(tài)的穩(wěn)定，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)體姿態(tài)、通過(guò)控制算法產(chǎn)生調(diào)整信號(hào)，從而控制電動(dòng)車(chē)平衡，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理和控制算法的設(shè)計(jì)是制作平衡車(chē)的難點(diǎn)，同時(shí)平衡車(chē)是一種非線(xiàn)性系統(tǒng)，建模和控制難度大，具有較強(qiáng)的理論研究?jī)r(jià)值。

2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證

選擇STM32F103ZET6作為平衡車(chē)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(shí)時(shí)獲取平衡車(chē)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(guò)互補(bǔ)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(guò)閉環(huán)PI控制器后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大后控制電機(jī)，同時(shí)為了便于升級(jí)調(diào)試本文擴(kuò)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(jì)

3.1 濾波器

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

圖2 互補(bǔ)濾波器算法流程圖

3.2 PID控制器設(shè)計(jì)

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(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平衡控制。信號(hào)流圖如圖3所示。

圖3 PID控制流圖

本設(shè)計(jì)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(yùn)算后得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制車(chē)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(chē)體姿態(tài)角控制環(huán)，用于控制小車(chē)傾斜角度，如果傾斜角多大小車(chē)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象為兩輪平衡小車(chē)，主要內(nèi)容為兩輪平衡小車(chē)硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)熱測(cè)試和模擬故障測(cè)試，驗(yàn)證硬件電路可靠性、實(shí)用性，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。軟件主要采用加速度計(jì)和陀螺儀作為檢查設(shè)備，并將采樣數(shù)進(jìn)行融合得到小車(chē)傾角信息，傾角信息通過(guò)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PI控制器后能夠控制車(chē)體平衡，通過(guò)載人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法可靠性和準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)加減速運(yùn)行、轉(zhuǎn)向運(yùn)行、急速剎車(chē)等功能，基本達(dá)到正常使用要求。

[1] 楊德剛，姜磊，賈文杰.數(shù)字PID與其算法改進(jìn)的研析[J].中國(guó)科技信息，2010，10(14)：12-15.

[2] 王效杰.基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2006，10(13)：23-26.

[3] 李秀英，劉彥博.基于P W M的四旋翼飛行器控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2011，29(5)：464-472.