基于PID控制的兩輪自平衡小車的研究

李志豪 司永康 屈志揚 李建軍 李高展 曲藝晗（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽471003）

1 概述

近年來，兩輪式自平衡小車的研究在美國、日本、等國都得到了迅速發(fā)展。平衡車能夠通過自身的整體協(xié)調(diào)性操作平衡，而且體積小，容易上手，成為越來越多人的一種代步工具。平衡車的動力來源是鋰電池，沒有碳排放，是一種綠色出行方式，能很好的保護(hù)環(huán)境。目前，平衡車已經(jīng)進(jìn)入越來越多人的視野之中，我們研究的目的是使小車能在正常的環(huán)境下正常前進(jìn)和后退，保證正常的直立運行。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該平衡小車系統(tǒng)采用Arduino 單片機(jī)為核心，GY-85 九軸IMU 傳感器模塊負(fù)責(zé)采集平衡小車的姿態(tài)，并將姿態(tài)信息傳輸回Arduino 控制器，控制器得到平衡小車的實時角速度和角度以及小車車輪當(dāng)前的速度，綜合計算出需要輸出的控制信號進(jìn)而準(zhǔn)確控制平衡小車兩個車輪的直流電動機(jī)[1]，使平衡小車保持平衡，同時將平衡小車系統(tǒng)所采集到的角度、角速度、車輪速度等通過藍(lán)牙控制模塊傳送至手機(jī)app上實時顯示，以及在小車硬件顯示屏上也能顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 平衡小車系統(tǒng)

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

該平衡小車系統(tǒng)分別由電源降壓模塊AMS1117、Arduinouno、GY-85 姿態(tài)傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)及BT08b藍(lán)牙控制模塊四部分組成,小車的系統(tǒng)集成電路結(jié)構(gòu)如圖2。12v的電源經(jīng)過降壓模塊下降至5v，為Arduino 控制板提供電源,GY-85 讀取小車姿態(tài)數(shù)據(jù)再傳到Arduino 控制器;電機(jī)編碼器獲得一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速再通過傳感器反饋到Arduino 控制板,Arduino 控制板根據(jù)傳感器所采集的信息,通過PID 控制算法將PWM 信號輸出傳至電機(jī)驅(qū)動模塊[2]與此同時，控制器將傳感器采集到的小車姿態(tài)運動信息通過BT08B 藍(lán)牙模塊傳送到手機(jī)app 上，并且能在顯示屏上顯示出來。

圖2 平衡小車系統(tǒng)電路原理圖

3.1 ArduinoUNO 控制板

ArduinoUNO 是基于ATmega328P 的一款微控制器板[3]。它分別設(shè)置了14 個用于數(shù)值式的進(jìn)出輸入/控制輸出引腳(其中6個引腳設(shè)計可以被直接用于PWM 輸出)，6 個模擬輸入，16MHz的晶振控制時鐘，USB 的總線連接，電源的插孔，ICSP 連接頭和復(fù)位控制按鈕。只需要通過兩根USB 數(shù)據(jù)線和電腦硬件連接就可以同時進(jìn)行電源供電、數(shù)據(jù)傳輸通訊和程序下載。

3.2 GY-85 姿態(tài)傳感器模塊

GY-85 傳感器模塊系統(tǒng)是兩輪平衡小車的核心零件之一,其中包含有三個芯片:陀螺儀、加速度計和電子磁力測量器(各三個軸),通過閱讀這些參數(shù),就可以判斷出一個物體在不同時刻的姿態(tài)、轉(zhuǎn)動速度、方向。

3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

該系統(tǒng)采用L298N 雙橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊，可以同時控制2 個電機(jī)正反轉(zhuǎn)，平衡小車只需要這一個電機(jī)模塊就能控制兩個輪子的運動。L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動電壓5-35V，輸出最大電流范圍可達(dá)2.5-3A。主要特點：工作時電壓高，輸出電流較大。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在自平衡小車控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理與運行流程如圖3。平衡小車的轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)可以大致分為三種，即平衡驅(qū)動控制、速度驅(qū)動控制和方向驅(qū)動控制，要正確實現(xiàn)這三種控制，控制的對象就是對兩個車輪電機(jī)的控制[4]，我們采用了經(jīng)典型PID 控制器進(jìn)行自平衡驅(qū)動控制。而要達(dá)到準(zhǔn)確的控制，我們就需要知道小車的姿態(tài)、速度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對下一步控制器怎樣去控制小車的運動非常重要。我們通過GY-85 姿態(tài)傳感器采集小車的實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳至控制器，用PID 控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再輸出PWM 波，小車電機(jī)做出調(diào)速運動，從而實現(xiàn)小車的平衡及運動。

圖3 程序流程圖

我們使用兩臺直流驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)的引腳A、B 用來輸入PWM 脈寬調(diào)制器的信號來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。如果左電動機(jī)輸入信號端IN1 連接高電平，輸入信號端IN2 連接低電平，左電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果信號端IN1 接到低電平，IN2 接高電平，左電機(jī)就會逆轉(zhuǎn)。控制右電機(jī)采用同樣的方式，輸入信號端IN3 接高電平，輸入端IN4 接低電平，右電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之電機(jī)就會逆轉(zhuǎn)。PWM 信號端A 控制左電機(jī)調(diào)速，PWM 信號端B 控制右電機(jī)調(diào)速。電機(jī)工作如表1。

5 平衡小車simulink 仿真

通過對兩輪自平衡小系統(tǒng)動力學(xué)分析和數(shù)學(xué)建模，引入PID 反饋后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

在simulink 中, 建立了平衡小車數(shù)學(xué)模型, 如圖4, 調(diào)用PID 控制器組合構(gòu)成系統(tǒng)的主要組成部分。在以單位階躍信號為干擾物時,繪制出對應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線圖,如圖5。通過這個波形我們可以清楚地看出, 系統(tǒng)能夠在受到外界干擾的條件下,能夠使其在一定的周期內(nèi)重新回到穩(wěn)定的狀態(tài)。這就說明我們所構(gòu)造的兩輪均衡小汽車體系的數(shù)學(xué)模擬機(jī)構(gòu)是有效實現(xiàn)的。

表1 電機(jī)工作邏輯表

圖4 平衡小車系統(tǒng)模型simulink 仿真

圖5 階躍響應(yīng)曲線圖

6 實驗結(jié)果分析

本系統(tǒng)實現(xiàn)了小車能夠基本保持平衡，實驗過程中小車會出現(xiàn)略微的不穩(wěn)定前后的晃動。通過藍(lán)牙在手機(jī)app 上可以顯示各個數(shù)據(jù)的變化。整個系統(tǒng)的設(shè)計成本低、項目完成周期為三個星期?；贏rduino 的兩輪自平衡小車基本能夠?qū)崿F(xiàn)項目的要求，由于知識的匱乏，時間的緊迫，Arduino 程序存在很多不夠完美的地方，simulink 仿真也存在很多未考慮的實際影響因素。

7 結(jié)論

兩輪自平衡小車是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，在項目的設(shè)計中運用開源硬件完成了兩輪自平衡小車的項目設(shè)計。采用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)更方便的控制。整個系統(tǒng)中，用姿態(tài)傳感器對小車的姿態(tài)、速度、方向進(jìn)行采集，再利用PID 控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制小車的平衡性和穩(wěn)定性。