两轮自平衡车系统的设计

两轮自平衡车系统的设计

【摘要】两轮自平衡小车是一个集传感器系统、控制系统和推进系统于一体的机器人，通过多种传感器进行加速度、角度等数据采集、读取、处理后，将数据发送给控制器，由控制器控制电机的输出速度和转矩，让车体保持平衡，并能够按照操作者的意图前进、后退或转弯。

【关键词】自平衡车；传感器；控制器

0.引言

两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

1.系统功能设计

维持车体直立行驶可以设计出很多的方案，本方案假设维持车体直立，运行的动力都来自于车体的两个轮子，图（1）所示为自平衡小车系统框图。两个车轮由大功率直流电机驱动。因此从控制角度来看，车体作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车体运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：

（1）控制车体平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车体直立平衡状态。

（2）控制车体速度：通过调节车体的倾角来实现车体速度控制，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）控制车体方向：通过控制两个电机之间的转动差速来实现车模转向控制。

三个分解任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象进行控制，所以他们之间存在耦合。最终三个控制参量累加到一起作用到电机上。

2.系统机械设计

平衡车的整体结构主要包括车身、左右车轮、左右悬架和操纵杆。悬架和车轮之间6颗螺丝相连且可以相互转动；操纵杆则是靠2只较大的螺丝和车架固定。

3.系统硬件电路设计

3.1陀螺仪与加速计的数据采集与处理

陀螺仪采用村田公司的ENC-03，加速计采用MMA7260。因为陀螺仪的动态响应较好，而加速计的静态响应较好，这就需要对两个传感器输出信号进行必要的处理。

陀螺仪输出模拟信号，且有差分接口，采用差分运放可以有效去除信号中的直流分量，在经过硬件积分电路，转换成陀螺仪输出角度。后一级接入高通滤波器，去除温度对陀螺仪输出信号的影响。

加速计输出模拟信号，有三轴输出，由于加速计的静态响应较好，因此对于输出信号中的高频分量要去除，在加速计的后级加入低通滤波器，来去除车辆抖动对加速计输出信号的影响。

两路传感器输出信号接入单片机的AD采集端，将模拟信号转化为数字信号，再进行对应的数字滤波后。送入单片机内直立算法控制区处理。

3.2大功率电机驱动电路设计

直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥式功率驱动原理所示，组成H桥驱动电路的4只开关管工作在斩波状态，S1，S4为1组，S2，S3为1组，这2组状态互补，当1组导通时，另一组必须截止，当S1，S4导通时，S2，S3截止，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S1，S4截止，S2，S3导通时，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

根据驱动电路的需要，我们设计了一大功率直流电机驱动电路。驱动电路的输入端和MCU连接，输入信号有PWM和DIR。PWM为脉宽调制信号，用于控制电机的正反转向，输出端和电动机相连。整个电路由电机驱动逻辑电路、光电隔离电路、驱动信号放大电路和H桥功率驱动电路组成。4.系统软件设计

4.2 PID算法的研究

PID算法多应用于精确控制领域，对于直立车电机控制，PID算法是个很好的选择。PID引入反馈控制，使得控制可以很精确，但是要想精确控制的适用性很广，控制系统就需要引入几个参数来调节。PID算法有三个基本的参数，分别为Kp（比例系数），Ki（积分系数），Kd（微分系数）。下面简单介绍下这三个系数的作用。

Kp：是按比例反应系统偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生作用用以减少偏差，比例系数的作用很大，可以加快调节，减少误差，但是比例过大，使得系统的稳定性下降，甚至不稳定。

Ki：消除系统稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就起到作用，直至误差消除。积分调节停止，积分调节的灵敏度取决于Ti（积分时间）的大小，Ti越小，积分作用越强，反之越弱。

Kd：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以很好改善系统的动态性能。

4.3车体控制算法包括

车体直立控制算法：（1）电机测速脉冲计数器读取与清除。累计电机转动角度。累计电机速度，为后面车体速度控制提供平均数；（2）启动AD转换。进行20次模拟量采集，然后计算各个通道的模拟量的平均值。这个过程是对于模拟信号进行低通滤波。（3）车体直立控制过程。包括车体角度计算、直立控制计算、电机PWM 输出等。（4）车体速度控制：在这个时间片段中，又进行0-19 计数。在其中第0 片段中，速度PID 调节。因此，速度调节的周期为100 毫秒。也就是每秒钟调节10 次。（5）车体方向控制：根据前面读取操作杆的电位器值变化，计算偏差数值。然后进行计算电机差模控制电压数值。[科]

【参考文献】

[1]马场，清太郎.运算放大器应用电路设计.科学出版社，2011.

[2]何跃，林春梅.PID控制系统的参数选择研究及应用[J].计算机工程设计，2006.

[3]魏延辉，刘胜，高延滨等.基于两轮自平衡机器人组合定位方法的研究[J].机械与电子，2010.

[4]蒋伟洋，邓迟，肖晓萍，两轮自平衡车系统制作研究[J].国外电子测量技术，2012.