两轮自平衡车姿态检测与平衡控制

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1、171控制工程第22卷文章编号：DOI:10.14107/j.cnki.kzgc.xxxxxx两轮自平衡车姿态检测与平衡控制陈鹏展，朱年华，李杰(华东交通大学电气与电子工程学院，南昌330013)摘要：针对两轮自平衡车姿态检测及平衡控制的要求，设计了一种基于传感器数据融合的两轮自平衡车控制策略，在惯性导航学的基础上，综合比较了互补滤波和卡尔曼滤波融合算法情况下姿态检测的实时准确性。采用PID控制方法，对车体处于不同姿态情况下两种算法的平衡控制性能进行对比分析。实验结果表明，运用互补滤波的PID平衡控制策略能较好的控制车体保持动

2、态平衡，具有较强的鲁棒性，实现了两轮车的自平衡控制，达到了预期目标。关键词：MPU9150；互补滤波；卡尔曼滤波；PID控制中图分类号：TP212.9文献标识码：AAttitudeDetectionandBalanceControlofTwo-wheeledSelf-balancingVehicleCHENPeng-zhan,ZHUNian-hua,LIJie(SchoolofElectricalandEngineering,EastChinaJiaoTongUniversity,NanChang330013,China)Ab

3、stract:Controlstrategyoftwo-wheeledself-balancingvehiclebacedonmotionsensorhasbeendesigned,usePIDcontrolmethod,syntheticallycomparestheeffectofattitudedeterminationanddynamicresponseperformanceoftwo-wheeledself-balancingvehiclewhichusedComplementaryfilterandKalmanfi

4、lterbacedonInertialnavigation.Comparativeanalysisoncontrolperformanceofthetwoalgorithmswhenthevehicleisinthecaseofdifferentattitude.ExperimentalresultsshowthatthePIDcontrollerbacedComplementaryfilteringcanobtainbettercontroleffectinthestabilityofvehicleandhasgoodrob

5、ustness.Keywords:MPU9150;complementaryfilter;kalmanfilter;PIDcontroller1引言-171-·xx·第x期陈鹏展等：两轮自平衡车姿态检测与平衡控制两轮自平衡车原理类似于倒立摆，是一种多变量、非线性、强耦合、高度不稳定的系统，是检验各种控制方法的经典平台，理论研究价值重大。同时两轮平衡车因其环保、安全可靠、行动灵活等特点，也具有较大的使用价值。两轮平衡车主要由姿态检测模块、中央处理器模块、电机驱动模块组成。姿态检测模块主要由陀螺仪与加速度传感器构成，能够精确地解算

6、出车身的实时姿态信息，并传递给高速微处理器，处理器根据实时的姿态计算出合适的驱动指令，驱动电机转动维持车体平衡。可见实时准确的姿态信息是保证车体实现动态平衡的首要条件，利用检测到的姿态数据进行PID控制器设计最终达到自平衡控制目的[1-3]。本文在姿态检测部分，为了消除单个传感器数据存在误差的缺陷，分别对初始角度和角速度数据进行互补滤波和卡尔曼滤波。通过分析两种滤波算法的融合效果。设计基于姿态信息反馈的PID控制器，并在两轮车实验平台上检验平衡稳定效果。2姿态检测与控制系统组成收稿日期：2015-9-16；修回日期：2015-

7、11-30基金项目：国家自然科学基金(61164011)；江西省自然科学基金(20114BAB201023)；江西省博士后科研择优资助项目（2015KY19）作者简介：陈鹏展(1975-)，男，湖北黄冈人，博士，副教授，主要从事网络控制系统，汽车电子控制，伺服驱动控制等方面的教学与科研工作；朱年华(1988-)，硕士研究生，主要从事运动控制系统方面的研究工作。以STM32F103为主控芯片构建中央处理器模块，负责接收和处理传感器数据，根据姿态信息计算出相应驱动指令驱动左右电机达到自平衡运行效果[4]。采用MPU9150模块作为

8、姿态采集传感器，MPU9150集成了3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，每轴对应一个16位AD转换器，测量范围达±16g。模块通过IIC总线将采集到的x、y、z三轴上的数字信号传递给处理器，处理器对原始数据进行预处理得到初始角度和角速度值，再经过滤波融合算法得到准确稳定