一、自平衡小車是利用車模自身動(dòng)力使小車保持相對(duì)的平衡，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。維持車模平衡的動(dòng)力來(lái)自車輪的運(yùn)動(dòng)，由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)車模的控制可以分解為三個(gè)控制任務(wù)：

　　1、控制小車平衡：通過(guò)控制小車車輪正反轉(zhuǎn)使小車保持直立平衡。

　　2、控制小車速度：通過(guò)控制小車的傾角實(shí)現(xiàn)小車前后運(yùn)動(dòng)和速度的控制，其實(shí)最終的仍是通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

　　3、控制小車方向：通過(guò)控制小車兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

　　分解為三個(gè)控制任務(wù)顯得相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，但是在最終的控制過(guò)程中都?xì)w結(jié)為對(duì)一個(gè)控制量的控制，這樣三個(gè)任務(wù)之間就會(huì)存在耦合，會(huì)相互干擾。三個(gè)任務(wù)中控制平衡是關(guān)鍵，所以對(duì)小車的速度和方向控制應(yīng)該盡量的平滑。

　　二、硬件方案設(shè)計(jì)

　　小車的硬件分為三個(gè)部分，分別是主控部分、小車姿態(tài)獲取部分以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。主控板采用目前常用的arduino UNO，同時(shí)也可以使用其他arduino通用控制板做主控。

　　小車姿態(tài)獲取可以有很多方案，使用最多的就是通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀獲取小車姿態(tài)。理論上只需要兩軸加速度計(jì)（垂直方向Z軸和沿小車運(yùn)動(dòng)方向X軸）和一個(gè)單軸陀螺儀（沿小車車輪軸方向，獲取繞小車輪軸的角速度）。陀螺儀通過(guò)角度積分可以獲得小車角度，但是經(jīng)過(guò)積分會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，并且會(huì)越來(lái)越大，X軸與Z軸加速度計(jì)的值也可以算出小車的傾角，但是加速度計(jì)的瞬時(shí)誤差較大，所以結(jié)合陀螺儀和加速度計(jì)兩者獲得的角度做數(shù)據(jù)融合可得真實(shí)角度。我們使用一個(gè)集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的集成芯片MPU6050，這樣極大的簡(jiǎn)化了我們的傳感器電路。

　　小車通過(guò)兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得動(dòng)力，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因?yàn)殡姍C(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)干擾到電源系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的運(yùn)行。我們選用L298P做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，輸出電流可達(dá)2.5A。

　　軟件設(shè)計(jì)之小車姿態(tài)獲取---卡爾曼濾波

　　在開(kāi)始之前應(yīng)該對(duì)MPU6050進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置角速度以及加速度的量程，加速度量程有±2g、±4g±8g與±16g，角速度量程分別為±250、±500、±1000與±2000°/sec （dps），可準(zhǔn)確的追蹤快速動(dòng)作與慢速動(dòng)作。在使用之前先設(shè)置好量程以便后面的換算。我們小車輪軸與傳感器Y軸平行，即繞Y軸旋轉(zhuǎn)則有：

　　那豎直方向弧度計(jì)算公式為： angle = atan2（x， z） //結(jié)果以弧度表示并介于 -pi 到 pi 之間（不包括 -pi）

　　如果要換算成具體角度： angle = atan2（x， z） *（180/3.14）

　　陀螺儀獲取角速度積分得到角度公式為：anglen = anglen-1 + gyronn*dt ，式中anglen 為第N次采樣的角度值，anglen-1 為第N-1次的角度值，gyronn為兩次采樣值之間的角速度值，dt為兩次采樣之間的時(shí)間。然后將換算后的兩個(gè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波融合，可獲得小車真實(shí)角度，也可以采用更簡(jiǎn)單的互補(bǔ)濾波算法。

　　注意加速度計(jì)所得角度與陀螺儀積分角度的方向。

　　四、軟件設(shè)計(jì)之小車姿態(tài)調(diào)整---PID參數(shù)整定

　　小車的姿態(tài)獲取最終結(jié)果是一個(gè)角度，就是小車偏離平衡位置的傾角。通過(guò)以小車的這個(gè)傾角為變量進(jìn)行PID控制，輸出用于控制車輪轉(zhuǎn)速的PWM值，那么相當(dāng)于小車只有一個(gè)角度反饋環(huán)路，雖然能使小車平衡，但是增加了控制難度，所以通常會(huì)使用帶測(cè)速的電機(jī)，再加入一個(gè)小車速度反饋環(huán)路，這樣使得小車更容易控制。