基于PID控制的兩輪自平衡機器人設計

摘 要：體積小、轉動靈活的輪式機器人適用于狹小危險的環境中，但二輪結構的動力學系統具有高度不穩定性，通過PID控制滿足其多變量、非線性、強耦合、參數不確定性等特性。本設計采用陀螺儀加速度傳感器MPU6050，使其自帶的DMP完成陀螺儀數據與加速度計的數據融合，以此來檢測機器人所處的俯仰狀態和狀態變化率，通過高速中央處理器計算相應數據并發送指令驅動電機產生相應的加速度來實現機器人的姿態控制和人機交互。

關鍵詞：二輪自平衡機器人；陀螺儀；PID控制；加速度計

引言

移動機器人是機器人學的一個重要分支，對于移動機器人的研究可追溯至20世紀60年代。移動機器人得以快速發展的主要原因有兩方面：一是其應用領域越來越廣泛；二是相關學科如計算、傳感、控制等技術的飛速發展。

2011年發生在日本福島的核電站泄漏事故，造成16萬日本民眾被迫搬離家園，12.5公里的地區被劃為禁區，在這種危險惡劣的環境下，只有依靠移動機器人來進行探測和偵察。此外，隨著移動機器人應用領域的不斷擴大，面臨的環境和任務也越來越復雜，機器人要經常工作于一些空間狹小、轉角較多的工作場合。如何在復雜的環境下靈活快捷的執行各種任務是當下研究的熱點。兩輪自平衡機器人的概念就是在這樣的背景下提出的。兩輪機器人是一個高度不穩定且變量多、非線性、強耦合的系統，需要電機的控制來維持姿態的平衡。通過電機驅動車輪并與傳感器、微處理器及機器人自身機械裝置共同協調來實現二輪機器人的自平衡，是集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合復雜非線性系統。

1 兩輪機器人的平衡原理

1.1 兩輪平衡機器人的機械結構

自平衡機器人的種類繁多，但結構上主要應用三層構架，自上而下依次為電池層，主控層以及電機驅動層，如圖1所示。電池層用于放置給整個系統供電的6V鋰電池，主控層由主控芯片最小系統和傳感器模塊組成，電機驅動層接受單片機信號并控制電機。

1.2 運動狀態的受力分析及平衡原理

兩輪結構是一個高度不穩定系統，在重力作用下其姿態本征不穩定，如圖2所示，若無外加調控，兩輪機器人必然無法實現自平衡。

如圖3所示，理想狀態下，當M（機器人重力）的方向與H（車輪支持力）的方向相差180°時，系統此時受力平衡，可以達到穩定不倒的狀態，θ角度為0°。但自然界存在各式各樣的干擾，θ角度總不為0，只要產生θ角，即使角度很小，M的方向與H的方向亦產生了角度，合力不為0，根據牛頓運動定律可知，θ角度將越來越大，直至車體傾倒在地上。

由此可知，導致車體傾倒的最大因素是θ角度的產生，因此，欲使兩輪機器人平衡，需要消除θ或者將θ角度控制在一個足夠小的范圍內。其整體控制環路如圖4所示。

消除θ角度的有效方法，是通過電機的轉動，帶動車體下部的移動，以保持與車體上部在一水平垂直線上。

2 兩輪自平衡系統的整體設計

2.1 硬件方案設計

系統選用STM32C8T6為主控芯片，通過IIC接口讀取陀螺儀加速度傳感器MPU6050的數據，通過Inven Sense（生產MPU6050）公司提供的DMP庫從FIFO中得到小車的姿態，最終通過PID輸出PWM電機控制信號，由電機驅動完成對電機的控制。此外，為了調試方便，除了設計了上述給模塊外，還擴展了UART接口，用于仿真調試，同時擴展了串口下載電路，在系統運行時將需要觀察的數據通過串口傳輸到電腦上，以記錄數據和繪出數據波形，查看濾波和PID效果。

2.2 PID控制器的設計

本設計中使用雙環PID控制實現機器人的平衡控制。信號流圖如圖5所示。

本設計采用雙環PID控制，內環為速度環，用于控制電機輸出，使車輪轉速與角度環輸出值保持一致；外環為角度環，用于保持小車傾斜角度為0。圖5中U為系統輸入，即小車傾斜角度的目標值，該值一直為0。X0為系統角度環輸出值，即小車電機轉速目標值。X1為輪子轉速，Y為小車實際的傾斜角度。Z為系統擾動輸入由于本設計采用鋰電池供電，電源的輸出功率有限，而且調整小車傾角時電機需要頻繁起制動，對電源功率要求較高，會引起電源較大幅度的擾動，所以在本系統中主要的擾動為電源電壓的擾動。內環PID控制器控制流圖如圖6所示。

3 結束語

兩輪自平衡機器人具有體積小，運動靈活的特點，適用于狹小和危險的環境下工作。其設計關鍵在于解決前進、后退、旋轉等運動狀態下小車的控制策略問題。本設計通過對MPU6050中的DMP運用，得到一個小車傾角的最優近似解，便于控制器處理。設計了多環PID控制器，通過實驗的方式驗證了算法基本滿足設計要求，實現了兩輪機器人的自平衡控制。

參考文獻

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作者簡介：陳博（1986，1-），男，陜西咸陽人，工作單位：咸陽師范學院物理與電子工程學院，學歷：碩士研究生，職稱：助教，研究方向：智能控制。