基于Arduino的自平衡小車

劉一鐘+劉文浩

摘 要：系統程序基于c語言來控制Arduino對陀螺儀，加速器進行取值，通過pid算法調控電機驅動的pwm從而實現小車平衡，通過藍牙芯片建立手機app和Arduino的連接，從而實現遙控。

關鍵詞：Arduino；平衡；藍牙連接；

由西北民族大學電氣工程學院"雙E"項目資助（項目編號：20161816）

1 引言

Arduino自平衡小車是通過對陀螺儀取得當前三軸偏移數據，通過pid算法進行平衡調整，再對速度取值從而對其速度進行調控，把數據轉換為信號給電機驅動，實現平衡和移動，在通過藍牙芯片與手機進行通信。

2 社會背景

當前在進入一個越來越智能化的社會，繼智能家居、智能穿戴、智能辦公之后，智能電動平衡車也已經進入人們的日常生活。智能平衡車是一款于13年前發明、于近兩年才火爆的產品，它也是代步工具類中最新的智能產品。智能類的產品總給人一種異常方便、簡潔優雅的感覺，電動平衡車也是如此。經過調查發現，目前市面上平衡車還十分稀缺，對于未來市場，方便攜帶的平衡車肯定會代替其他大型代步車輛，選用 Arduino 單片機控制自平衡小車肯定會大有前景，令人眼前一亮。

3 基礎功能的實現

對稱的搭建車體，將各個模塊平均的分布在車體上，連接各個模塊，使用Arduino作為主控控制各個模塊，采集數據，應用算法得到因能夠給電機的占空比，從而實現平衡。通過Android Studio來編寫能接能接收小車藍牙信號，發出信號的app，通過app調整其小車移動。

4算法

比例調節的公式是：u（t） = Kp * e（t），e（t） = r（t） – c（t）

其中：r（t） 是設定值，就是你想讓被控系統某個參數所要保持的狀態值； c（t）是系統的這個參數的實際狀態值。

比例調節的過程就是即時成比例地反應控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，通過 Kp * e（t） 產生控制作用以減小偏差。理想的情況是有多大的誤差，通過這個調節作用之后，就能將誤差消除。但實際情況并非都是那么理想，Kp小了，修正不到位，Kp大了就會出現矯枉過正的現象。

5陀螺儀MPU6050 的應用

為避免糾纏于電路細節，我們直接使用集成的MPU6050模塊。MPU6050的數據接口用的是I2C總線協議，因此我們需要Wire程序庫的幫助來實現Arduino與MPU6050之間的通信。請先確認你的Arduino編程環境中已安裝Wire庫。

雖然6050模塊能夠輸出三軸加速度和三軸角速度的數據，但實際應用的時候，直接使用的確不是這些量，而是需要根據這些數據解算出三軸的角度數據。比如平衡小車，需要算出 模塊的俯仰角，然后控制算法根據角度大小控制小車輪子的移動。四軸飛行器需要根據俯仰角度、滾轉角度，和飛行指令來調節四個電機的轉速。

從6軸的原始數據得到三軸的角度計算是一個比較復雜的運動學解算過程，有的童鞋可能會說，不就是三軸角速度積分不就行了嗎？這就是沒有實踐，想當然的說法。有三點需要注意的問題：

1.三軸姿態的解算不能直接積分。因為三軸是有耦合的，只有在三軸角度為小角度的時候可以這么算，角度大了以后，比如60度了，這么算的誤差就很大。標準的做法是用四元數的方法做姿態解算，積分的方法可以用4階龍格-庫塔法，或者4階Gill法。詳情請參考：航空航天器運動的建模——飛行動力學的理論基礎 肖業倫著 北京航空航天大學出版社。

2.積分運算的累積誤差。角速度積分運算是有累積誤差的，累積誤差在短時間內表現不明顯，只要零點漂移處理得好了，1分鐘以內的漂移都不大，但時間長了，就會有累積誤差，5分鐘就漂到不知道哪里去了。

3.角速率零點漂移。所謂零點漂移就是模塊靜止的時候，我們認為正常的輸出應該是0，或者均值為0的數據，但是實際上6050的輸出不是，可能在2°/s或者其他，而且每次都不一樣，如果不校準，別說1分鐘了，10秒鐘誤差就有20度。

用加速度計算的確也是一種方法，但使用加速度也有三方面的問題：

1.無法在動態情況下使用，使用重力的來解算姿態的前提條件是模塊本身沒有加速度，因此模塊輸出的三軸加速度值，正好是重力在模塊本體坐標系下的分量，從而能夠求出俯仰和滾轉的姿態角度。一旦模塊運動起來，這種方法就傻了，因為模塊無法分辨出哪些是重力的分量，那些是模塊本身的加速度引起的。目前市面上很多傾角儀就是這種思路，但問題就是沒法在動態情況下使用，最簡單的測試方法就是把模塊水平放置桌面上，緩慢運動，發現X，Y軸的角度基本不變化，都在0度左右，一旦快速運動起來，X，Y軸就顯示有很大的角度了。而實際上模塊一直水平，沒有變化。

2.精度差。6050模塊的加速度本身的精度不高，就算是在靜態情況下，角度測量的精度也只能到1°左右。

3.三軸耦合問題。利用加速度求解姿態的時候，也會有三軸耦合的問題，因為姿態表示與坐標旋轉順序有關，這樣只有一種一個軸能用反正切值計算，另一個軸不能用反正切值計算。

6項目創新點

1.通過手機app控制更是滿足了大部分人的需求。

2.兩輪自平衡更加穩定更加新穎，體積較小。

3.應用芯片較少，減少成本。