基于PD算法的两轮自平衡车直立控制

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1、呈丁口寸扌匕曰于偶牛旦Al挂帀II刘二林'•姜香菊$C兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州，730070)C兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州・730070)摘要：建立了两轮自平衡车的动力学模型Matlab环境中设计了基于PD控制算法的两轮车直立控制器；仿真分析了控制器中各参数对系统的影响。利用普通小功率直流电机拟量输出的陀螺仪和加速度传感器BTS796O半桥芯片等但价位元件设计了一套硬件电路并将仿真程序移植到16位Freescale单片机中对两轮自平衡车进行控制；实测数据验证了所设计控制算法的合理性和设计电路的正确性。尖键词：直立控制FD算

2、法舫真分析；两轮自平衡车DOI编码：l().14016/j.cnki.l00I・9227.2()15.01.203Abstract:Thedynamicmodelofself-balancedual-wheelcarwasestablished・TheuprightcontrollerofthesystemwasdesignedinMatlab・Bythesimulationandanalysisofcontrollingsystem,theeffectingofparameterswasdescribed・Thehardwarecircu

3、itwascompletedandthesimulationprogramswasmovedto16-bitFreescalemicroprocesso匚ThehardwarecircuitconsistsofordinaryDCmotor,accclcromctcrscnscr-MMA7260andgyrostatsensor・MB546etc.Thescif-balanccdual-wheelcarcanworkcorrectlyandtheparameterswasuploadedtothecomputerbywirelesscomm

4、unication・Thedatacomingfromcontrollingsysterrthroughexperimentsshowthevalidityandrationalityofthehardwareandsoftware・Keywords:Uprightcontrol;PDalgorithm;Simulationanalysis;Self-balancedual-wheelcar中图分类号：TP399文献标识码：B文章编号：1001-9227(2015)01-0203-04a自平衡车示意图b简化系统示意图0引言两轮自平衡车(也称为两

5、轮机器人)具有极强的灵活性-它的行为与火箭飞行器及两足机器人行走有很大的相似性•因而对其进行研究和设计受到国内外机器人领域的高度重视。55轮自平衡车•属于同轴平行布置的结构.即两个车轮轴连接右同一根轴线上•它与倒立摆(In-vertedPendulum)系统相似•兵重心位置在支点上方。两轮行走机构是自然不稳定体•为高场次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统-在非控制状衣下•其不能保持自身平衡⑴)。国内外学者对于两轮自平衡车及倒立摆进行了大量的冊究。文献1设计了状态反馈控制器(LQR)-采用的高性能大狂矩直流伺服电动机及晶体管脉冲宽度调制(PWM

6、)直流伺服控制模块及高精度传感器实现了两轮自平衡车的直立控制；文献：提出一种分层模糊控制方法-通过2个模糊控制器分别对机誥人体的偏移角度和轮的转动速度进行控制，并由决策器协调宣立和行走两个控制量所占比重•最后通过仿真验证了设计的U确性；文献3通过PID控制和模糊控制对倒立摆进行控制，并通过仿真结果•对比了两种控制方式的优缺点。文献4采用爲PID控制策略对倒立摆逬行控制•并通过线性二次型最优控刑(LQR)理论计算出反馈矩阵K作为PID控制器参数。按照"不可靠零件可以组成优秀系统"的设计思路・采异普通小功率直流电动机•BTS7960半桥芯片及模拟量

7、输出的陀收稿日期：2014-12-28*基金项目：甘肃省青年科技基金(1208RJYA019)作者简介：刘二林(1977-)•男•河南郑州人•讲师•硕士研究生•主要研究方向为计算机控制，智能机器人。螺仪及加速度传感器(倾角传感器)等低价位元件作为主要元件实现自平衡车直立-具有较强的实用价值。在论文中•建土了自平衡小车的数学模型；在Matlab环境中-设计了三输入-输出(输入为设定角度值•实际角度值•实际角速度值•输出值为车轴所受的力)的PD控制器；通过仿真，得出了各参芻对自平衡小车状态的影响；最后•将仿真程序移植到了16Freescale单片

8、机中实现了自平衡车的直立控制•并通过上位杠检测到的数据验证了设计系统的合理性。1自平衡两轮车的数学模型自平衡车在忽略转弯因素的前提下•与一级倒立摆的模