基于PI控制器的兩輪平衡小車設計

王宇坤，陳沃源

（江門職業技術學院 廣東 江門 529090）

1 緒論

平衡車利用地心引力使其保持自身平衡，同時將自身所受重力作為運動動能的提供者。平衡車的種種優點使其可以作為一種環保、安全、舒適、快速交通工具。平衡車由于自身構造在運動過程中不能自我實現平衡，需要控制兩個車載電機的來維持姿態的穩定，通過傳感器實時檢測車體姿態、通過控制算法產生調整信號，從而控制電動車平衡，對傳感器數據的處理和控制算法的設計是制作平衡車的難點，同時平衡車是一種非線性系統，建模和控制難度大，具有較強的理論研究價值。

2 系統方案分析與選擇論證

選擇STM32F103ZET6作為平衡車主控芯片，使用陀螺儀傳感器和加速度傳感器讀取相關的數據，從而實時獲取平衡車的相關姿態數據，由于兩種傳感自身的偏差，本文通過互補濾波的方式最大限度的消除傳感器誤差，融合后的數據通過閉環PI控制器后輸出驅動信號，驅動信號經驅動模塊放大后控制電機，同時為了便于升級調試本文擴展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真調試。系統方框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

3 系統軟件設計

3.1 濾波器

如果只使用加速度計或者陀螺儀其中一個，都無法提供一組準確的平衡車姿態信息，從而無法實現小車平衡。本文采用加速度計和者陀螺儀共同提供車體姿態信息，兩個輸出數據采用互補濾波方法來融合，單一傳感器輸出數據均不準確，但互補濾波后的數據很好的彌補陀螺儀和加速度計各自的偏差，從而可以得到一個較好的傾角近似值。該濾波器的實現算法如圖2所示。

圖2 互補濾波器算法流程圖

3.2 PID控制器設計

本采用角度環加速度速度環的雙閉環PI控制的方法來實現小車的平衡控制。信號流圖如圖3所示。

圖3 PID控制流圖

本設計采用雙閉環PI控制，內環為速度環，經內環運算后得到電機驅動信號，控制車輪轉速與角度環輸出轉速給定值保持一致；外環為車體姿態角控制環，用于控制小車傾斜角度，如果傾斜角多大小車失去平衡影響使用，而外環PI輸出即為內環給定。

4 結語

本設計的研究對象為兩輪平衡小車，主要內容為兩輪平衡小車硬件和軟件系統設計，經過熱測試和模擬故障測試，驗證硬件電路可靠性、實用性，滿足系統設計要求。軟件主要采用加速度計和陀螺儀作為檢查設備，并將采樣數進行融合得到小車傾角信息，傾角信息通過設計雙閉環PI控制器后能夠控制車體平衡，通過載人實驗驗證了算法可靠性和準確性，可以實現加減速運行、轉向運行、急速剎車等功能，基本達到正常使用要求。

[1] 楊德剛，姜磊，賈文杰.數字PID與其算法改進的研析[J].中國科技信息，2010，10(14)：12-15.

[2] 王效杰.基于變結構控制的兩輪自平衡小車系統設計與實現[D].西安電子科技大學，2006，10(13)：23-26.

[3] 李秀英，劉彥博.基于P W M的四旋翼飛行器控制方法[J].吉林大學學報(信息科學版)，2011，29(5)：464-472.