基于PI控制器的两轮平衡小车设计

王宇坤，陈沃源

（江门职业技术学院 广东 江门 529090）

1 绪论

平衡车利用地心引力使其保持自身平衡，同时将自身所受重力作为运动动能的提供者。平衡车的种种优点使其可以作为一种环保、安全、舒适、快速交通工具。平衡车由于自身构造在运动过程中不能自我实现平衡，需要控制两个车载电机的来维持姿态的稳定，通过传感器实时检测车体姿态、通过控制算法产生调整信号，从而控制电动车平衡，对传感器数据的处理和控制算法的设计是制作平衡车的难点，同时平衡车是一种非线性系统，建模和控制难度大，具有较强的理论研究价值。

2 系统方案分析与选择论证

选择STM32F103ZET6作为平衡车主控芯片，使用陀螺仪传感器和加速度传感器读取相关的数据，从而实时获取平衡车的相关姿态数据，由于两种传感自身的偏差，本文通过互补滤波的方式最大限度的消除传感器误差，融合后的数据通过闭环PI控制器后输出驱动信号，驱动信号经驱动模块放大后控制电机，同时为了便于升级调试本文扩展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真调试。系统方框图如图1所示。

图1 系统方框图

3 系统软件设计

3.1 滤波器

如果只使用加速度计或者陀螺仪其中一个，都无法提供一组准确的平衡车姿态信息，从而无法实现小车平衡。本文采用加速度计和者陀螺仪共同提供车体姿态信息，两个输出数据采用互补滤波方法来融合，单一传感器输出数据均不准确，但互补滤波后的数据很好的弥补陀螺仪和加速度计各自的偏差，从而可以得到一个较好的倾角近似值。该滤波器的实现算法如图2所示。

图2 互补滤波器算法流程图

3.2 PID控制器设计

本采用角度环加速度速度环的双闭环PI控制的方法来实现小车的平衡控制。信号流图如图3所示。

图3 PID控制流图

本设计采用双闭环PI控制，内环为速度环，经内环运算后得到电机驱动信号，控制车轮转速与角度环输出转速给定值保持一致；外环为车体姿态角控制环，用于控制小车倾斜角度，如果倾斜角多大小车失去平衡影响使用，而外环PI输出即为内环给定。

4 结语

本设计的研究对象为两轮平衡小车，主要内容为两轮平衡小车硬件和软件系统设计，经过热测试和模拟故障测试，验证硬件电路可靠性、实用性，满足系统设计要求。软件主要采用加速度计和陀螺仪作为检查设备，并将采样数进行融合得到小车倾角信息，倾角信息通过设计双闭环PI控制器后能够控制车体平衡，通过载人实验验证了算法可靠性和准确性，可以实现加减速运行、转向运行、急速刹车等功能，基本达到正常使用要求。

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