基于PID算法控制的電動自平衡獨輪車設計

甄圣超，高 遠，黃 康，張 昭，楊培東

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

基于PID算法控制的電動自平衡獨輪車設計

甄圣超，高 遠，黃 康，張 昭，楊培東

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

針對當前實際生產中電動自平衡獨輪車開環控制、穩定性及可靠性不強等問題，提出一種基于PID算法控制的電動自平衡獨輪車設計，選用DSP作為主控芯片，利用傳感器數據融合技術，采集陀螺儀和加速度計測量的車身姿態信息，并利用位置式PID控制算法計算直流無刷電機的控制力矩，形成閉環控制，平衡車具有動態響應好、穩定、魯棒性好的優勢。

電動自平衡獨輪車；傳感器數據融合；PID算法；閉環控制

0 引言

電動自平衡獨輪車具有結構簡單、性價比高、攜帶方便、運動性靈活等很多優點，成為一種新興的電動代步工具[1]。獨輪車的控制主要分俯仰和橫滾平衡控制，其中橫滾平衡主要由騎行者來實現，俯仰平衡的控制原理和一級倒立擺類似[2]，人往前傾時，采用陀螺儀的控制器控制電機往前運動，人往后傾時，電機往后運動，保持人的平衡。倒立擺和陀螺都是動態平衡、動態穩定的系統，決定了獨輪車需要時刻不斷調節使其處于動態平衡的本質[3]。

目前實際生產中電動自平衡獨輪車開環控制、穩定性及可靠性不強等問題，本文提出一種基于PID算法控制的電動自平衡獨輪車設計，采用直流無刷電機驅動的輪轂電機，DSP數字信號處理器為主控制器，控制系統包括陀螺儀傳感器、直流無刷電機驅動器、平衡控制組成，通過陀螺儀傳感器的加速度計和陀螺儀檢測角度信息，這兩個角度經過處理，形成沒有漂移的、抗干擾能力強的角度信號，利用PID算法對角度信號進行處理，得到控制信號，進而控制直流無刷電機使獨輪車保持平衡。

1 獨輪車系統模型設計

1.1 機械結構設計

本文設計的獨輪車機構主要由輪轂電機、塑料外殼、DSP、電源和踏板等部分組成，其模型如圖1所示，其總重量為10kg，外輪直徑為360mm，其中踏板采用鋁合金材質，降低重量增加結構強度，踏板和車體剛性連接，其傾斜角度反應車體的俯仰角度，進而來保持人體的平衡。DSP和電源分別布置在外殼箱體的兩側，利于布線方便和平衡重心。

圖1 SolidWorks工程圖獨輪車模型

1.2 控制系統設計

獨輪車通過對直流無刷電機的控制進而保持整體的動態平衡，其控制系統原理如圖2所示。通過陀螺儀及其加速度計來采集人體的姿態信息，通過數據融合濾波后[4]，將得到的漂移、抗干擾能力強的角度信號發給DSP，利用PID算法對角度信號進行處理后，DSP輸出轉矩控制信號給直流無刷電機，通過其自帶的霍爾傳感器檢測電機的位置信號，形成電機閉環控制，提高系統穩定性、準確性。

1.2.1 硬件設計

硬件部分設計主要包括DSP控制器、陀螺儀數據采集和無刷直流電機驅動器，已開發出的硬件板如圖3所示。尺寸：長×寬=134mm×79mm；工作電壓：36V～68V下可正常工作；最大工作電流：30A；最大總功率：1500w；通訊方式：模擬量和串口控制；工作模式：力矩和速度模式。

圖2 控制原理圖

圖3 控制器硬件板

1）陀螺儀采用性能穩定的9軸運動處理傳感器MPU6050陀螺儀，集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器。MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的角度模擬量信號轉化為數字量信號，同時具有測量范圍可調的優點，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。一個片上1024字節的FIFO（First-In First-Out），有助于降低系統功耗。

2）主處理器采用功能強、可擴展性強的TMS320F2809DSP作為主處理器,基本兼容TMS320F2812DSP程序，同時擁有豐富外設資源和100M的運算能力，使開發難度大幅度降低，可以實現控制器的快速開發。其與陀螺儀接口線路如圖4所示。

3）直流無刷電機驅動芯片采用德州儀器集成型三相無刷電機前置驅動器DRV8301，可在驅動達60 A FET的同時，將板級空間銳減60%，其三相無刷柵極驅動器通過8V～60V單電源提供源極達1.7A、汲極達2.3A的柵極驅動電流，可調節壓擺率與停滯時間來優化性能。

1.2.2 陀螺儀、加速度計信號融合和程序

為了實現獨輪車的自平衡控制，首先應該得到足夠的車身傾斜角度的數據。采用MPU6050陀螺儀來采集獨輪車的姿態信息。控制系統除了需要實時傾角信號，還需要角速度加以控制。即采用加速度計測量傾斜角度，陀螺儀輸出相對靈敏軸的角速率。

1.2.2.1 傳感器數據處理

加速度計可以測量動態及靜態的線性加速度。其中，加速度傳感器靜止時，輸出作用在其靈敏軸上的重力加速度值，可以根據各軸上的重力加速度的分量值算出物體垂直和水平方向上的傾斜角度。但是加速度計動態響應慢，不適合跟蹤動態角度運動且過快響應會產生較大噪聲。

陀螺儀測量角速度信號，通過對其積分得到角度制，但是考慮溫度變化、摩擦力及不穩定力矩等因素，陀螺儀會產生漂移誤差[5]。

圖4 DSP與陀螺儀接口圖

故為了克服上述困難，本文采用一種簡易互補濾波方法來融合陀螺儀和加速度記輸出信號，補償加速度計的動態誤差及陀螺儀的漂移誤差，得到更優的傾角值。

1.2.2.2 傳感器數據融合

針對加速度計靜態響應好，但動態響應慢的問題，需采用低通濾波算法除去短時行快速變化的信號，保留長時性緩慢變化信號。采用的方法是給變化較快的信號乘上較小的權重系統，以削弱突變信號對整體的影響。對于陀螺儀情況正好相反，采用高通濾波方法處理其數據，進而抑制陀螺儀積分的漂移。

陀螺儀的高通濾波和加速度計的低通濾波兩部分恰好構成一個互補濾波器，在通過四元數法進行姿態解算，獲取精確的獨輪車實際傾斜角度值。其融合程序編程變量如圖5所示。

圖5 傳感器融合程序變量

3 平衡控制算法

將MPU6050陀螺儀來采集獨輪車的姿態信息，通過互補濾波、四元數法姿態解算后，得到實際精確的獨輪車傾斜角度值θact。再將獲取的實際傾斜角度值θact與目標傾斜角度值θref相減，計算出誤差e(k)：

利用位置式PID控制算法計算直流無刷電機的控制力矩u(k)[6,7]：

其中Kp為比例系數，Ki微積分系數，Kd為微分系數；u(k)是第k個采樣時刻的控制力矩，e(k-1)是第k-1個采樣時刻的誤差，e(i)是第i個采樣時刻的誤差，i=0， 1，…，k。具體算法流程如圖6所示，根據計算得到的直流無刷電機控制力矩u(k)，輸出PMW控制信號驅動直流無刷電機運動。

圖6 PID算法流程圖

經過測試，本文設計的電動自平衡獨輪車，85kg的人可以上15°的坡，時速可達16公里每小時，控制板峰值功率可達1000W，額定功率500W。

4 結論

本文設計的基于PID算法的電動自平衡獨輪車，選用DSP為主控芯片，通過傳感器數據融合技術將加速度計和陀螺儀信號進行融合，進而精確判斷車輛傾角，運用PID控制算法控制直流無刷電機，不僅形成閉環控制策略，形成穩定快速的動態平衡響應，而且可以使控制板電流達到60A，控制板可靠性強，魯棒性好，控制穩定。

[1] 王啟源.獨輪自平衡機器人建模與控制研究[D].北京：北京工業大學,2011：11-15.

[2] 申曉峰,章瑋.電動獨輪車的的模糊自適應控制[J].機電工程, 2014,31(12)：1610-1614.

[3] 彭振峰,宋楠楠,陳明權.無刷直流電機在獨輪車驅動系統中的應用[J].變頻世界,2014,(5)：95-98.

[4] 馮智鵬,等.基于陀螺儀及加速度信號融合的姿態角度測量[J].西南師范大學學報(自然科學版),2011,36(4)：137-141.

[5] 吉訓生,駱鵬,肖國強.自適應Kalman濾波在MEMS陀螺儀信號處理中的應用[J].傳感器與微系統,2006(9)：79-85.

[6] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現[J].制造業自動化,2009,31(4)：20-23.

[7] 董景新,趙長德,郭美鳳,等.控制工程基礎[M].北京：清華大學.

Design of electric self-balanced wheelbarrow based on PID algorithm

ZHEN Sheng-chao, GAO Yuan, HUANG Kang, ZHANG Zhao, YANG Pei-dong

TP249

：A

：1009-0134(2017)05-0144-03

2017-03-28

國家自然科學基金資助項目（51505116）；中央高校基本科研業務費專項資助項目（JZ2016HGTB0716）；國家級大學生科技創新項目（201510359008）；中國博士后科學基金資助項目（2016M590563）

甄圣超（1988 -），男，安徽合肥人，講師，博士，研究方向為機械系統動力學及不確定系統控制方法。