杨智尧 王楚瑶 霍宇航
华北理工大学 河北唐山 063210
摘要：平衡车是一种新型的两轮电动交通工具，其采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以 实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。因其体型小巧、便于携带的特点深受现代人的喜爱。对于一个平衡车来说稳定性是它最重要的一项指标，而一个系统的稳定性取决于它的控制系统。本文将以平衡车的控制方法为切入点分析平衡车的PID控制方法。
关键词：平衡车，PID，控制方法，高精度控制，信号采集
1.串级控制
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。这种控制方法的优点是改善了过程的动态特性提高了系统的控制质量对负荷变化的适应性较强。要注意的是外环的采样控制周期通常为内环的3—10倍，若内外环采样控制周期相近可能会引起系统的震荡，反映到车体上就是车身剧烈的晃动。
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图1 串级控制方案图
2.信号采集
由于平衡车最根本的是控制车体与地面的角度保持恒定，从而需要感知角度的传感器来作为反馈实现对车体角度的控制。这里选用六轴加速度陀螺仪ICM—20602，其测量精度比传统的MPU高，噪音也要比MPU小，使用硬件SPI通信时可达到10M的波特率。一般来说为了减小噪声和不必要的误差传感器尽量安装在低处的车轴的位置令其在车体平衡时传感器尽量垂直于地面。
加速度计可以测量由物体运动所产生的加速度。通过ICM—20602读取车模垂直方向的加速度值可以得出与之成正比关系的车模的角度，但是在实际的运动中由于车体的摆动导致加速度计信号出现较大的干扰，不宜直接用做控制的变量。
陀螺仪可以测量物体旋转产生的角速度，通过ICM—20602读取车模运动产生的角速度，再通过积分的运算可以得到车体与地面保持的角度，该变量受干扰性较小，信号较平稳。但是由于传感器的温度漂移加上积分运算会导致该数值会随着时间的增加与实际的角度产生偏差，也不宜直接用作控制变量。
结合上述两个变量在频域上互补的特性可以采用互补滤波的方式将两个变量融合从而得到一个动态响应良好、受干扰性小的变量作为控制量。Angle_Gyro=Angle_Gyro+(Angle_ACC—Angle_Gyro)*互补系数（Angle_Gyro为陀螺仪积分所得角度，Angle_ACC为加速度计计算所得角度）。
3.角速度环
最先开始调试串级系统的内环—角速度环，采用PID中的PD控制方法，先将其他环节去除将车体的目标角速度设定为0，以传感器读取的角速度值为反馈量进行闭环控制，将比例控制数值P逐渐增加至明显感受到系统对外界的干扰做出反应后适量调节微分控制D的数值便可以得到一个稳定的角速度环控制系统。
4.角度环
在此基础上加入角度环，以期望车体与地面保持的角度为目标量，互补滤波得出的数据为反馈量进行闭环控制同样采用PID的PD控制。将比例控制数值P逐渐增加至车体可以稳定在目标角度且有上下浮动，再适量的调节D的数值便可以得到一个稳定的角度环控制系统。由于整个系统采用串级控制，将角度环的输出值作为角速度环的目标值，从而达到叫速度环与角度环串级的控制。在整个控制系统中比例控制P好比单摆在真空中运动只有回复力，它会一直的摆动下去虽然每次都经过平衡位置但并不能稳定在平衡位置，而处在空气中的单摆之所以可以稳定在一点是由于空气的阻尼力的作用，而PID控制中的超前控制系数D便可以看作空气阻尼力。
5.速度环
最后加入速度环的控制，由于需要对车体的速度进行控制就需要加入测量速度的编码器，通过脉冲的读取来确定车体目前的运动速度。对于速度的控制可以采用变积分的PI控制算法，在普通的PI控制算法中，由于积分系数I是常数，所以在整个控制过程中积分增量是不变的，但是在实际的控制系统中对于积分项的要求是系统偏差较大时积分作用应该减弱甚至全无，在偏差小的时候应该加强积分的作用，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又不能短时间内除静差。因此，根据系统的偏差大小改变积分速度是有必要的。变积分 PI 的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢;偏差越小，积分越快。给积分系数前加上一个比例值k：当abs(偏差)<下限时，k=1;当下限<abs(偏差)<上限时，k=（上限-abs(偏差)）/（上限-下限）; 当 abs(偏差)>上限时，k=0;最后将速度环输出的值叠加在目标角度上作为角度环的目标值从而构成整个系统的串级控制。
6.总结
对于一个系统的稳定性来说其控制方法是最重要的因素之一，只有选用合适的控制方法才能保证系统稳定的运行。对于平衡车的控制方案还有很多就不再一一列举，相信在人们越来越重视环境保护的情况下我国的平衡车将会得到飞速的发展。
参考文献
[1]卓晴, 黄开胜, 邵贝贝. 学做智能车:挑战“飞思卡尔”杯[M]. 北京航空航天大学出版社, 2007.
[2] 卓晴, 王京春, 黄开胜,等. 全国大学生智能汽车竞赛的研究与实践[J]. 中国大学教学, 2012(4).