双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现

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两轮自平衡小车双闭环PID控制设计

两轮⾃平衡⼩车双闭环PID控制设计两轮⾃平衡⼩车的研究意义1.1两轮平衡车的研究意义两轮平衡车是⼀种能够感知环境,并且能够进⾏分析判断然后进⾏⾏为控制的多功能的系统,是移动机器⼈的⼀种。

在运动控制领域中,为了研究控制算法,建⽴两轮平衡车去验证控制算法也是⾮常有⽤的,这使得在研究⾃动控制领域理论时,两轮平衡车也被作为课题,被⼴泛研究。

对于两轮平衡车模型的建⽴、分析以及控制算法的研究是课题的研究重点和难点。

设计的两轮平衡车实现前进、后退、转弯等功能是系统研究的⽬的,之后要对车⼦是否能够爬坡、越野等功能进⾏测试。

⼀个⾼度不稳定,其动⼒学模型呈现多变量、系统参数耦合、时变、不确定的⾮线性是两轮平衡车两轮车研究内容的难点,其运动学中的⾮完整性约束要求其控制任务的多重性,也就是说要在平衡状态下完成指定的控制任务,如在复杂路况环境下实现移动跟踪任务,这给系统设计带来了极⼤的挑战。

因此可以说两路平衡车是⼀个相对⽐较复杂的控制系统,这给控制⽅法提出了很⾼的要求,对控制理论⽅法提出来很⼤的挑战,是控制⽅法实现的典型平台,得到该领域专家的极⼤重视,成为具有挑战性的控制领域的课题之⼀。

两轮平衡车是⼀个复杂系统的实验装置,其控制算法复杂、参数变化⼤,是理论研究、实验仿真的理想平台。

在平衡车系统中进⾏解賴控制、不确定系统控制、⾃适应控制、⾮线性系统控制等控制⽅法的研究,具有物理意义明显、⽅便观察的特点,并且平衡车从造价来说不是很贵,占地⾯积⼩,是很好的实验⼯具，另外建⽴在此基础上的平衡系统的研究,能够适应复杂环境的导航、巡视等,在⼯业⽣产和社会⽣中具有⾮常⼤的应⽤潜⼒。

两轮平衡车所使⽤的控制⽅法主要有:状态回馈控制、PID控制、最优控制、极点回馈控制等,这些控制⽅法被称为传统控制⽅法。

1.2 本⽂研究内容（1）两轮⾃平衡⼩车的简单控制系统设计。

（2）基于倒⽴摆模型的两轮⾃平衡⼩车的数学建模。

（3）利⽤MATLAB⼯具进⾏两轮⾃平衡⼩车的系统控制⽅法分析。

两轮自平衡车控制系统的设计与实现_周牡丹

4 | T echniques of Automation & Applications两轮自平衡车控制系统的设计与实现周牡丹，康　恺，蔡普郎，黄天健（厦门大学嘉庚学院电子工程系，福建　漳州　３６３１０５）摘要：根据飞思卡尔智能车竞赛的要求，设计了基于ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８单片机的两轮自平衡智能车控制系统。

介绍了该智能车系统的硬件模块电路设计、控制系统的构成及核心控制算法的实现。

在此基础上详细介绍了用于智能车直立控制、速度控制和方向控制的参数调试时简单易行的关键技术。

经过反复多次的实验表明，本文设计的两轮自平衡车控制系统性能可靠，在车身保持直立平衡的同时能够沿着赛道快速平稳运行．关键词：两轮自平衡车；ＰＩＤ控制；ＣＣＤ路径检测；直立控制中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ｂ文章编号：１００３－７２４１（２０１４）１０－０００４－０５Design and Implementation of Two-WheeledSelf-Balancing Vehicle Control SystemZHOU Mu-dan, KANG Kai, CAI Pu-lang, HUANG Tian-jian( Dept.of Electronic Engineering, TKK College, Xiamen University, Zhangzhou 363105 China )Abstract: For Freescale smart car contest requirements, a two-wheeled self-balancing intelligent vehicle control system based onMC9S12XS128 is designed. This article introduces the design of the hardware module circuit, the structure of control system, and the implementation of the core control algorithm about the vehicle. The key technologies for debugging the upright control, speed control and direction control of the intelligent vehicle are also discussed in the paper. After repeated experiments , it shows that the design of the two-wheeled self-balancing vehicle control system is feasible and reliable. The vehicle can run quickly and smoothly along with the track while maintaining upright balance.Key words: two-wheeled self-balancing vehicle; PID control; CCD path detection; upright control收稿日期：２０１４－０５－２０１引言近年来，两轮自平衡电动车以其绿色节能、灵活便捷等优点而得到很大的发展。

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计

本科毕业设计基于PID控制器的两轮自平衡小车设计摘要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。

两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。

本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。

由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。

文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。

自平衡车巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。

驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。

基于PID控制器的两轮自平衡小车设计本科毕业设计

文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。

关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆Two-wheeled Self-balancing RobotMa Xuedong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract:The two-wheeled self-balancing robot is small in mechanism, with simple structure and can make flexible motion, suitable for narrow and dangerous work space. So it has wide range of applications in security and military. The two-wheeled self-balancing robot is a natural unstable system. The device of this system is a parallel arrangement of two single wheels, like a traditional inverted pendulum. Its dynamics are multi-variable, non-linear, serious coupling and uncertain parameters etc. It must be exerted strong control to make it stable.In this paper, studies on two-wheel self-balancing vehicle at home and abroad are summarized. We designed the hardware and software of our two-wheel self-balancing vehicle. The car using rotational accelerometers, gyroscopes and acceleration sensors to detect body condition and the state in which the pitch change rate. The central processing unit calculate the appropriate data and instructions, and control the motor to achieve the body balancing. Because of gyro drift problems and Integral error with accelerometers and slow dynamic response of acceleration sensors. It can’t provide effecti ve or reliable information to reflect the real state of its body. So we using complementary filter to fuse the data of two sensors, so that the inclination of its body can be approximated better.Finally, we verified the feasibility of the system’s hardwar e and software through experiment.Key Words: Self-Balancing complementary filter Data Fusion Inverted Pendui目录1 前言 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 国外研究成果 (1)1.2.2 国内研究成果 (1)1.3 本文的研究内容 (2)2 两轮平衡车的平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 两轮车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)3 系统方案分析与选择论证 (4)3.1 系统方案设计 (4)3.1.1 主控芯片方案 (4)3.1.2 姿态检测传感器方案 (4)3.1.3 电机选择方案 (5)3.2 系统最终方案 (5)4 主要芯片介绍和系统模块硬件设计 (6)4.1 加速度传感器ADXL345 (6)4.2 陀螺仪传感器L3G4200D (8)4.3 主控电路 (10)4.4 电机驱动电路 (11)4.5 供电电路 (11)5 系统软件设计 (12)5.1 系统初始化 (13)5.2 滤波器 (14)5.2.1 低通滤波器 (15)5.2.2 互补滤波器 (15)5.3 PID控制器 (17)5.3.1 PID概述 (17)5.3.2 数字PID算法 (17)5.3.3 PID控制器设计 (18)6 硬件电路 (19)6.1 硬件制作与调试 (19)6.2 硬件调试结果 (19)6.2.1 姿态感知系统测试结果 (19)6.2.2 PID控制器测试结果 (20)7 结论 (21)参考文献 (23)附录 (1)致谢 (3)华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 研究意义应用意义。

双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现

双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现摘要：双轮自平衡车是一种集环境感知、规划决策、自主驾驶等功能为一体的综合性系统。

提出了一种双闭环式PID控制系统实现双轮自平衡车的控制。

针对传统的PID控制算法的缺陷，该系统引入了双闭环式PID改进平衡车的控制算法。

同时对平衡车的硬件系统与软件控制系统进行了设计、实现与分析。

实验表明：所提出的控制系统是有效可行的，提高了平衡车的稳定性和动态响应性。

关键词：双轮自平衡车；PID控制算法；双闭环式PID控制系统传统的PID控制算法在平衡车控制系统中的应用存在很大的缺陷。

在传统的PID控制器中，积分控制环节的引入是为了消除被控量的静态误差，以提高控制精度；在平衡车控制系统中，由于平衡车在启动过程或车体在较差的路况中运行，车体倾角会发生大幅度地变化，平衡车系统在较短的时间内会产生较大的输出偏差。

此时，PlD控制器中的积分控制环节会导致系统产生较大的超调，甚至导致平衡车产生较大的震荡。

除此之外，传统的PID控制器忽略了平衡车中两个电机的性能差异，对两个电机采用同一个PID控制器，容易引起车体产生震荡。

本文提出了一种双闭环式PID控制系统，其避免了PID控制器中的积分环节在平衡车的倾角发生大幅度地变化的情况下引起的超调和震荡，解决平衡车两个电机性能差异对平衡车控制系统的干扰，提高了平衡车控制系统的稳定性。

1平衡车的优势及机械结构1.1平衡车的优势l、转向半径小，小巧灵活，适合在原地频繁转向和狭小空间的场合下使用；2、结构简单，由于可以通过直接控制电机驱动来完成启动、加速、匀速、减速等动作，省略刹车和离合等装置，使得整车结构设计更为简单。

3、绿色环保，可以作为短途代步工具，用于上下班或者出去购物游玩，可以穿梭与人流密集的闹市区，减少城市道路交通行驶车辆，既可以解决交通堵塞问题，又可以减少碳的排放，做到环保出行。

1.2机械结构本文研制的平衡车高57.8cm,宽41.5cm,两轮直径为8cm。

基于PID控制的两轮自平衡小车设计(附有程序)

基于PID控制两轮自平衡小车设计目录1.方案设计论证 (3)1.1单片机的选择与论证 (3)1.2显示模块的选择与论证 (3)1.3按键模块的选择与论证 (4)1.5电机模块的选择与论证 (5)2.硬件设计 (5)2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

3.特色创新 (5)4.总结 (7)参考文献 (8)两轮自平衡小车设计摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。

该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。

该系统的主要特点是方便，快捷，环保。

关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as thecore,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly.Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。

两轮自平衡车控制系统的设计与实现

两轮自平衡车控制系统的设计与实现一、自平衡车系统概述1、定义自平衡车是一种以双轮直立结构/双轮平移结构的小型无线遥控电动车，最初由电动车作为主要的运动机构，但也有可能有其他特殊机构，进行实时控制，使其能够在平衡和模式控制下，保持水平稳定态，实现自动平衡、自主康复和自由行走。

2、系统功能自平衡车系统的功能是通过实时控制平衡并实现模式控制，使自平衡车实现自动平衡、自主康复和自由行走，从而达到智能化的操作目的，解决双轮自行车无主动平衡功能的问题。

二、系统设计1、硬件系统自平衡车的硬件系统由电池、ESC（电子转向控制器）、遥控组件、周边传感器组件、电路板组件等构成。

2、软件系统自平衡车的控制系统主要由ARMCortex-M0 MCU、单片机程序、PID算法组成。

三、系统实现1、硬件系统实施（1）第一步，在自平衡车上安装ESC，ESC的电池由智能充电器连接，使自平衡车进行自动充电；（2）第二步，给控制器方向键插上遥控器，使用户可以控制车辆移动；（3）第三步，在车辆上安装多个传感器，在控制板上增加芯片，使用户可以对车辆进行实时监测；（4）第四步，在控制板上安装一个ARM Cortex-M0 MCU处理器，将控制算法由单片机程序烧录形成可控制的处理系统。

2、软件系统实施（1）随着ARM处理器的安装，自平衡车可以被SONI的特殊的烧录器进行烧录，该程序可以控制车辆的转向和速度；（2）安装完毕后，需要建立多个变量从传感器接受数据，读取车辆的平衡状态，并控制车辆前后左右的运动；（3）最后，我们选择PID算法来实现车辆实时的控制，根据车辆当前的实际情况，调节PID距离和速度增量使自平衡车实现实时的模式控制。

四、结论本文介绍了自平衡车控制系统的设计思想和实现步骤，通过控制平衡，实现自动平衡、自主康复和自由行走，使得自平衡车有更多的功能，在以后的应用中，自平衡车的研究和应用实际会有很大的推动作用。

利用PID控制算法控制自平衡车

近两年来，在公共场合常常能见到一种叫做体感车（或者叫平衡电动车）的代步工具，由于其便捷灵活，使得其颇为流行，并被称为“最后一公里神器”.其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。

以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。

下文采用AVR Atmega16芯片作为主，设计制作了两轮的自平衡电动车。

文中分析了测量角度和角速度传感器的选择，通过ATMEGA16单片机多路信号AD采集陀螺仪和加速度计的信号，经过Kalman滤波算法计算动态的角度和角速度，通过LCD1602显示角速度和角度的值、转向值。

利用PID控制算法控制自平衡车的平衡状态，使车体在平衡位置稳定。

利用大功率MOS管设计，通过单片机有效地控制电机的转速、电机的转向，从而有效地控制自平衡车的前进、后退及转弯功能。

我们来看看具体的设计细节吧。

1 研究意义随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。

据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具。

随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。

就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车。

由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。

同时，人们也根据两轮自平衡机器人工作原理，设计出了一些新式电动车--两轮自平衡电动车。

它是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。

两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等功能。

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制器中的积分环节在平衡车的倾角发生大幅度地变化的情况下引起的超调和震荡，解决平衡车两个电机性能差异对平衡车控
制系统的干扰，提高了平衡车控制系统的稳定性。
１硬件系统设计
衡车的稳定性和动态响应性。
关键词：双轮自平衡车，ＰＩＤ控制算法，双闭环式ＰＩＤ控制系统
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃ —
ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｃａｒＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｏ— ｔｗｈｅｅｌｓｅｌｆ —ｂａｌａｎｃｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ，ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐＰＩＤ
统的ＰＩＤ控制器忽略了平衡车中两个电机的性能差异，对两个
能基本保持直立；速度控制部分中，利用编码器反馈的车速信
息，通过双闭环式ＰＩＤ控制得到速度控制量，将速度控制量和直
传统的ＰＩＤ控制算法在平衡车控制系统中的应用存在很大
的缺陷。在传统的ＰＩＤ控制器中，积分控制环节的引入是为了消除被控量的静态误差，以提高控制精度；在平衡车控制系统中，
２软件系统设计
制。直立控制部分中，ＭＣＵ将陀螺仪和加速度计采集到的车体
倾角信息进行卡尔曼滤波［４］，并将滤波后的信号作为ＰＤ控制的实际参量，得到车体的直立控制量，加载到电机驱动上，使车体
生较大的超调，甚至导致平衡车产生较大的震荡。除此之外，传
｛－ｒ业控制计算机／２０１７年第３０卷第６期
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双轮自平衡车的双闭环式ＰＩＤ控制系统设计与实现
ＤｏｕｂｌｅＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＰＩＤＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＴｗｏ－ＷｈｅｅｌＳｅｌｆ — — ＢａｌａｎｃｉｎｇＶｅｈｉｃｌｅ
电机采用同一个ＰＩＤ控制器，容易引起车体产生震荡。
立控制量叠加后加载到电机上，完成车体的控制任务。２．２直立控制部分算法
双轮驱动智能车的基本原理与倒立摆相似，其力学模型（５。８］
如图２所示。
本文提出了一种双闭环式ＰＩＤ控制系统，其避免了ＰＩＤ控
ｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｓｈｏ￣ｃｏｍｉｎｇｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｄｏｕ— ｂｌｅｃｌｏｓｅｄ —ｌｏｏｐＰＩＤｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｂａｌａｎｃｅｃａｒ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｓ．ｒｅａｌｉｚｅｓ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｎｔｒｏｌ
林枫蔡延光（广东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６）
摘要：双轮自平衡车是一种集环境感知、规划决策、自主驾驶等功能为一体的综合性系统。提出了一种双闭环式ＰＩＤ控
制系统实现双轮自平衡车的控制。针对传统的ＰＩＤ控制算法的缺陷，该系统引入了双闭环式ＰＩＤ改进平衡车的控制算法。同时对平衡车的硬件系统与软件控制系统进行了设计、实现与分析。实验表明：所提出的控制系统是有效可行的，提高了平
２．１控制器组成
系统中的控制器由两部分组成，分别是直立控制和速度控
由于平衡车在，车体倾角
会发生大幅度地变化，平衡车系统在较短的时间内会产生较大的输出偏差。此时，ＰＩＤ控制器中的积分控制环节会导致系统产
由图２的受力分析可知，双轮驱动智能车在受到外界干扰而