两轮自平衡车的研究

（３）两轮车的方向控制 ：通过控制两个 电机 间的转速不同实现转 向。 两 轮 自平 衡 车 直 立 和 方 向控 制 任 务 都 是 直 接 通 过 控 制 车 模 两 个 驱 动 电机 完成 的，而 速度 控 制则 是通 过 调节 小 车倾 角完 成 的 。小 车不 同的倾 角会 引起 车 模 的加 减速 ，从 而 达 到对 小车 速度 的 控制 。 三个 子系 统各 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 以各 个 子 系 统 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
【关键词 】ＡＴｍｅｇａ１６；加速度传感器；陀螺仪 ；ＰＩＤ算法；卡 尔曼滤波
１ 引言
两 轮 自平衡 车两 轮 共 轴 、独 立 驱 动 、车 身 中 心 位 于 车轮 轴 上 方 ，通过 电机运 动保 持 车身 平衡 。由于 特殊 的结构 ，其 适应 地 形变 化 能 力 强 ，运动 灵活 ，可 以胜任 一 些复 杂环 境 里 的工作 。从研 究 意 义 上 看 ， 自平衡 车 系统 是一 个集 外 界感 知 、动态 平 衡 决策 与规 划 、 平 衡 控制 与执 行 等多 种功 能于 一体 的综 合 复杂 系统 。
两 轮 平 衡 车 通过 姿态 检 测 系统 来 实 时 检 测 车 身 姿 态及 运 动状 态 ， 并根 据 姿态 信息 对 小车 进行 控制 。因此 ，对 于 两轮 自平 衡 车来 说 ， 能够 精确 并 稳定 的 检测 当前 车 身倾 角 ，是 实现 有效 控制 的关键 所 在 。 目前 有多 重技 术 可 以实现 倾 角检 测 ，但 是实 时性 ，经 济 性还 不 够 理想 。采用 ＭＥＭＳ陀螺 仪和 加速 度 计等 惯性 传 感器 构 成 的姿态 检 测 系 统可 以实 时 、准 确 的检测 两轮 自平衡 车 的倾 角 。两轮 自平衡 车 属 于本 质 不稳 定系 统 ， 因此其 实 现 的平衡 是 一种 动态 平 衡 。传 统 的ＰＩＤ控 制 在 各类 工 业 场合 有 着 广泛 的 应用 ，完 全可 以满 足两 轮 自 平 衡 车 的控制 系 统要 求 。
（１）两轮 车 的平 衡控 制 ： 以两 轮 车倾 角为 输入 量 ，通过 控 制两 个 电机 的 正反 转保 持小 车衡 。
（２）两轮 车 的速 度控 制 ：在保 持平 衡 的基 础上 ，通 过调 节 小车 倾 角实 现 对速 度 的控 制 ，实 际上 还 是演 变为 对 电机 的控 制实 现 小车 的 速度 控 制 。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·技 术 交 流
两轮 自平衡车的研 究
桂 林 电子科技 大 学信 息科技 学院 度不稳定两轮机 器人 ，是一种特殊轮式移动车，其动力学系统具有 多变量、非线性、强耦合、参数不确定性 等特性，是研 究各种控制方法的一个理想平台。其工作原理是 系统以姿态传感器（陀螺仪 、加速度计）来监测车身所处的俯仰状 态和状态变化 率 ，高速 中央 处理 器ＡＴｍｅｇａｌ６ＪｆｉＰＩＤ算 法运 用 卡 尔曼 滤波 得 出的 更优 倾 角近似 值 。求 出驱 动 电机 的 占空比ＰＷＭ ，驱 动 电动机 产 生前 进 或后 退 的加 速 度 来达 到车体 前后 平衡 的效果 。本 文 选 用适 当的控 制 器、执 行 电机 和传 感 器 ，设 计 出两轮 自平衡 车的驱 动 电路 ，实现 了两轮 车 的硬 件 控 制 系统 。
根据 系统要求 ，两轮 车必须 要能够在 无外 界干预 下依靠一对 平行 的车轮 保持平 衡，并完 成 前进 ，后 退 ，左 右转弯 等动作 。分析 系统要 求 可知 ，保持 两轮车 的直立和 运动 的动力 都来 自于车子 的两 只车 轮 ， 车 轮 由两只空 心杯直流 减速 电机组 成 。驱 动器采 用差动 驱动方式 。 因 此 ，从 控制 角度来 看 ，可 以将小 车 作为 一 个控 制 对 象 ，控 制输 入 量 是两 个车 轮 的转 动速 度 。整个 控 制系 统可 以分 为三 个子 系 统 ：
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 时 ，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 已经达 到平 稳 。这 三个 任务 是 保持 小 车平 衡是 关键 。由于 小车 同时受 到三 种控 制 的影 响 ，从 小车 平衡 控 制 的角度 来看 ，其它 两个 控制 就 成为 干扰 。因此 对 小车速 度 、方 向 的控 制应 该尽 量 保持 平滑 ，以减 少对 平衡 控制 的干扰 。以速 度调 节 为例 ，需要通 过 改变 车模 平衡 控 制 中小车 倾 角设 定值 ，从而 改变 车 模实 际倾 斜 角度 ，达 到速 度控 制 的要 求 。为 了避 免影 响 车模 平衡 控 制 ，这个 车模 倾 角 的改变 需 要非 常缓 慢 的进 行 。其 中平衡 控 制是 系 统 的最基 本要 求 ，也是 整个 控制 系统 的难 点 。
３ 两轮 自平衡小车软件设计
ｋａｌｍａｎ融 合取 得 角度 、角 速度 。本文 对传 感器 两 者所 采 集 的数据 进
２ 两轮平衡 车总 设计 方案
本 设 计 利 用ＡＴｍｅｇａ１６单片 机 进行 系 统 控制 ，通 过接 收 和 处理 系 统 中 各个 模 块 的数 据 ，利 用 Ｃ语 言编 程完 成 整个 系 统 不 同模 块 的 控 制 。对 驱 动板 控制 以及传 感器 数据 处 理是 组 成该 系 统的 核 心。根 据 两 轮 自平 衡车 的特 性 ，使 用加 速度 传 感器 以及 陀螺仪 两 种惯 性 导 航 传 感器 来 采集 车体 的倾角 姿态 信 息 ，空 心杯 直流 减速 电机 自带 光 电编 码 器 用 以采 集 电机 速 度信 息 。主 控制 芯 片采 用 ＡＴｍｅｇａ１６微 控 制器 来 完成 对数 据采 集 以及 处 理 、对 车体 姿态 计 算和 判断 、 空心 杯 直流减 速 电机控 制及其他 外围的控制等 功能 。