5.3.1 PID概述 ........................................... 17嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。 5.3.2 数字PID算法 ...................................... 18熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 5.3.3 PID控制器设计 ..................................... 18鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 6 硬件电路............................................... 19纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 6.1 硬件制作与调试....................................... 19颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 6.2 硬件调试结果......................................... 19濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 6.2.1 姿态感知系统测试结果............................... 19銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 6.2.2 PID控制器测试结果 ................................. 20挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 7 结论................................................... 22赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 参考文献.................................................. 23塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 附录...................................................... 24裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 致谢...................................................... 26仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表
I
1 前言
1.1 研究意义
应用意义。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。车身小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业。自平衡车的种种优点使其可以作为一种快速、环保、安全、舒适、小巧灵活的绿色交通工具，是未来汽车和自行车的替代品，其市场的广阔性与经济效益不言而喻。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 理论研究意义。自平衡车，在重力作用下车体姿态本征不稳定，需要电机的控制来维持姿态的平衡，通过电机驱动转动车轮，传感器、软件、微处理器及车体机械装置整体协调控制电动车平衡，是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合复杂非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给控制理论提出了很大的挑战，具有较强的理论研究价值。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 1.2 国内外研究现状
美国、日本、瑞士等国家在研究自平衡车领域起步较早，目前已经达到了先进的水平。国内的一些高校以及科研机构也对其有所研究，并取得了一定的成绩。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 1.2.1 国外研究成果
美国Lego公司Steve Hassenplug设计了两轮自平衡传感式机器人Legway。实现了电机差动驱动方式，遥控操作，可以向前，向后和转弯时保持平衡，可以实现U型回转和零半径转弯。Legway是第一个自平衡机器人。采用了模块化的结构设计，安装和拆卸都很方便。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 日本村田制作所的科学家研发了骑独轮车的机器人“村田顽童”和“村田婉童”。保持左右平衡通过转动机器人体内配备的惯性轮来实现。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 瑞士联邦工学院的工业电子实验室为模拟人类行走设计并制造了一个基于倒立摆理论的两轮小车，该小车使用DSP控制，车架上方附有重物模拟实际车中的驾驶员，该小车使用陀螺仪和电机编码器得到的信息来稳定系统。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。 0
1.2.2 国内研究成果
哈尔滨工业大学设计的HITBot两轮自平衡小车，采用Accodometry方法，通过融合码盘和加速度级数据对位置进行估计，有效解决了两轮自平衡小车在运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件而导致的位置估计失败的问题，解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响，降低了加速度级固有漂移的不利影响，提高了两轮自平衡车的定位精度。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 深圳职业技术学院等设计的两轮自平衡小车Opyanbot，应用最优控制与两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机,并利用上位机实时控制机器人的运动状态,提高了控制精度、可靠度和集成度,得到了很好的控制效果。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 1.3 本文的研究内容
本文研究内容有两轮自平衡小车的姿态检测算法，PID控制算法两方面。姿态检测算法通过互补滤波器融合姿态传感器(加速度传感器和陀螺仪传感器)数据，得到小车准确稳定的姿态信息，PID调节器则利用这些姿态信息，输出电机控制信号，控制电机的转动，使小车得以平衡。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 2 两轮平衡车的平衡原理
2.1 平衡车的机械结构
电池层主控层电机驱动层 图1 平衡车机械结构
现有的自平衡车结构种类繁多，但都归根于图1的基本结构，因此，本设计将使用图1的结构，车体由三层组成，从上到下依次是电池层，主控层，电机驱动层，电池层
1
用于放置给整个系统供电的6V锂电池，主控层由主控芯片最小系统和传感器模块组成，电机驱动层接受单片机信号，并控制电机。每个层都是功能模块的电路路板之间用铜柱固定，电机外壳与电机驱动电路板固定，电机转轴与两只轮胎相连。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
2.2 两轮车倾倒原因的受力分析
两轮车是一个高度不稳定系统，在重力作用下车体姿态本征不稳定，致使在没有外加调控下必然倾倒的现象(张三川，2011)。其受力如图2所示。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
θMT
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H 图2 平衡车受力分析图
理想状态下，当M(车体重力)的方向与H(车轮支持力)的方向相差180°时，系统此时受力平衡，可以达到稳定不倒的状态，θ角度为0°。但自然界存在各式各样的干扰，θ角度总不为0，只要产生θ角，即使角度很小，M的方向与H的方向亦产生了角度，合力不为0，根据牛顿运动定律可知，θ角度将越来越大，直至车体倾倒在地上。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 2.3 平衡的方法
从以上分析可得，导致车体倾倒的最大因素是θ角度的产生，因此，欲使小车平衡，需要消除θ或者将θ角度控制在一个足够小的范围内。其整体控制环路图3所示。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
θ不为零车体倾斜转动车轮θ变小θ=0车体平衡 2