二轮自平衡小车原理

摘要：近些年来，随着电子科学技术的发展与进步，智能化也越来越成为生活中必不可少的生活条件因素，伴随着智能移动机器人的刚性需求与相关领域研究不断深入，已成为新兴科学技术的宠儿，以及应用研究领域最活跃和最产业化的科研研究领域之一，正因如此移动机器人越来越广泛的被应用在各种生产生活范围中。

关键词：智能化；平衡；控制系统

二轮自平衡小车的概念就是在这样一个需求背景下应运而出的科技产物，这种机器车区别于其他移动机器车的最明显突出的特点就是：小车采用了二轮共轴、各自拥有独立驱动的工作方式，小车自平衡可以借助轮子的前后转动来保持车身的自身姿态的平衡状态，因此来保证小车重心的稳定和平衡。

二轮自平衡小车的控制系统分为硬件电路系统和软件设计系统两种，控制对象就是自平衡小车的两个独立的驱动电机，由分析系统要求我们可知，之所以控制输出量是转速采集数据和数据分析很重要，数据分别来自于两个独立直流电机驱动车轮的，维持小车直立状态和运动过程中的动力都来自于小车的两个独立驱动的车轮，随之控制平衡小车达到各种运动状态的效果，来使自平衡小车保持直立平衡的姿态。

平衡小车的状态控制可以被分成以下三个部分：

1.二轮自平衡小车的平衡控制：

借助姿态检测仪获得的小车倾角为输入量，通过直流电机对车轮的正反转和加速度控制从而达到小车的直立平衡状态。

2.二轮自平衡小车的速度控制：

在小车处于非平衡状态的时候，通过单片机（STM32C8T6系列）调节直流电机转速而达到控制小车速度的理想效果，并且在速度控制的过程中形成有效的负反馈环，从而保持二轮自平衡小车的稳定状态。

3.二轮自平衡小车的方向控制：

对于二轮小车方向的控制，即是对小车车轮转速的控制，通过控制车轮转速的转动差速来实现两个车轮的转向，从而来达到左转和右转的效果。也可以只控制其中一个车轮的转动，另一个车轮不转动因此来实现转弯的效果，这种方法可以实现对转弯角度的控制，使其转过固定的角度。

关于二轮自平衡小车平衡系统的设计，我们所希望达到的效果最终都是在同一个控制对象（小车的电机）进行基础控制，例如小车的数据采集、数据处理和各种控制变量，这就要三个子系统能够各自独立进行有效地控制，一种被叫做耦合关系的特殊结合系统控制。其电机是同轴相连的，但是电机却又可以分别实现保持小车直立姿态，实现小车左右方向的转动效果。然而二轮自平衡小车左右转动是必须在小车保持直立状态前提下实现的，就是小车保持平衡的情况下使自平衡小车实现左右转动。二轮自平衡小车速度的控制完全是取决于自平衡小车车身的倾斜程度的大小。傾斜程度会给小车带来加速和减速两种不同的的平衡效果，所以小车自平衡控制是系统的最基本要求，也是整个控制系统的重点攻关的任务。

如图2-1平衡小车示意图所示，当小车车体垂直的时候，车轮是静止的；当小车向前运动的时候，车身向后仰，而电机需要纠正后仰，即使得小车车轮向后产生一个加速度，也能使小车向后运动，把二轮自平衡小车的偏离角度作为偏差，通过负反馈让这个产生的偏差接近于零，好比小车哪边倾斜角度过大，则平衡小车需要通过独立直流电机和控制系统随之往相对应的那个方向运动，目的是达到消除倾斜状态，从而来保持直立的姿态的效果。

二轮自平衡小车的系统是一种本质不稳定非线性系统，所以需要及时实时检测自身倾角，再利用STM32系统算法不断调整自身角度，以实现动态平衡效果。然后通过三个子系统进行合理有效的调整，就可以实现动态平衡，因而对于采集小车的倾斜角度和角速度和小车的姿态检测成为控制小车直立平衡的关键之中的关键。在MCU获得小车车身的姿态数据之后，利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，借助传统的PID控制算法控制单片机输出PWM波来驱动独立的直流电机运动。在小车的运行过程中需要单片机输出的PWM控制电机的转速控制，通过无线遥控装置人为的对单片机下达指令，调节独立电机的运转速度和正反转而达到对小车运行状态系统的控制效果。

利用MPU_6050运动处理整合器件，把陀螺仪和加速度计集合到一起，使用时用了16位的ADC，并且内部自带了DMP功能，使得效率上也得到了很大的提高，相对而言，成本较低。将传感器测量的模拟量转化为可以精确使用的数字量陀螺仪可测范围：±250，±500，±1000，±2000。加速度计可测范围：±2，±4，±8，±16。为了实现用户的需求，可设置为精确快速和慢速跟踪。片上 1024 字节的 FIFO，有助于减少系统功耗。

参考文献

[1]杨莘，刘海涛. 基于STM32的两轮自平衡遥控小车[J]. 数字技术与应用，2014，（5）：151-152.

[2]谭浩强. C语言程序设计. 清华大学出版社[M]. 2010年6月：

[3]季鹏飞. 基于STM32的两轮自平衡小车控制系统设计[J].电子科技，2014，27（11）；

作者简介：潘井华（1986.08-），男，汉族，内蒙赤峰人，科员，党员，助理工程师，学士，主要从事医疗设备维修工作。

（作者单位：淄博万杰肿瘤医院设备科）