双轮自平衡车的双闭环式PID控制系统设计与实现
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统的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 器 忽 略 了 平衡 车 中 两个 电机 的性 能差 异 ，对 两 个
能 基 本 保 持 直立 ；速 度 控 制 部 分 中 ，利 用 编 码 器 反 馈 的 车 速 信
息， 通过双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 得 到速 度 控 制 量 ， 将Leabharlann Baidu速 度 控 制 量 和 直
电机采用同一个 Ｐ Ｉ Ｄ控制器 ， 容易引起车体产生震荡。
立 控 制 量叠 加后 加 载 到 电机 上 ， 完 成 车体 的控 制 任 务 。 ２ ． ２ 直 立 控 制 部 分 算 法
双轮驱动智能车的基本原理与倒立摆相似 ， 其力学模型（ ５ 。 ８ ］
如 图 ２所 示 。
本文提 出了一种双 闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 系统 ， 其避 免了 Ｐ Ｉ Ｄ 控
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂａｌ ａｎ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ａｒ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｗ ｏ— ｔ ｗｈｅ ｅｌ ｓ ｅｌ ｆ —ｂ ａｌ ａｎ ｃｉ ｎ ｇ ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ， ＰＩ Ｄ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｌ ｇｏｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｄ ｏｕ ｂｌ ｅ ｃｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ
２ ． １控 制器 组 成
系 统 中 的 控 制器 由两 部 分 组 成 ，分 别 是 直 立 控 制 和 速 度 控
由于 平 衡 车 在 启 动 过 程 或 车 体 在 较 差 的路 况 中 运 行 ，车 体 倾 角
会 发 生 大 幅 度 地 变 化 ，平 衡 车 系 统 在 较 短 的 时 间 内 会 产 生 较 大 的 输 出 偏 差 。此 时 ， Ｐ Ｉ Ｄ控 制器 中 的积 分 控 制 环 节 会 导 致 系 统 产
林 枫 蔡 延 光 （ 广东工业大学 自动化学院， 广东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
摘要 ： 双 轮 自平 衡 车 是 一 种 集 环 境 感 知 、 规划决策、 自主 驾驶 等 功 能 为 一 体 的 综 合 性 系统 。提 出 了一 种 双 闭 环 式 Ｐ Ｉ Ｄ控
制 系统 实 现 双轮 自平衡 车 的 控 制 。针 对 传 统 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 算 法 的 缺 陷 ， 该 系 统 引入 了双 闭 环 式 Ｐ Ｉ Ｄ 改进 平衡 车 的 控 制 算 法 。 同 时 对 平衡 车 的硬 件 系统 与软 件 控 制 系统 进 行 了设 计 、 实现 与 分析 。 实验 表 明 ： 所提 出 的控 制 系统 是 有 效 可 行 的 ， 提 高 了平
衡 车 的稳 定性 和动 态 响应 性 。
关键词 ： 双 轮 自平 衡 车 ， Ｐ Ｉ Ｄ控 制 算 法 ， 双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｉ ｓ ｐａｐ ｅｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅｎ ｔ ｓ ａ ｄｏ ｕｂｌ ｅ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｏ ａ ｃｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｔ ｗｏ－ｗｈ ｅ ｅｌ ｓ ｅ ｌ ｆ －ｂ ａｌ ａｎ ｃ —
制 器 中 的 积 分 环 节 在 平 衡 车 的倾 角 发 生 大 幅度 地 变 化 的 情 况 下 引起 的超 调 和 震 荡 ，解 决 平 衡 车 两 个 电机 性 能 差 异 对平 衡 车 控
制 系 统 的 干扰 ， 提 高 了平 衡 车 控 制 系 统 的稳 定 性 。
１ 硬 件 系统 设 计
ｉ ｎ ｇ ｖ ｅｈ ｉ ｃ ｌ ｅ． Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈｏ ￣ｃ ｏｍ ｉ ｎ ｇｓ ｏｆ ｔ ｒ ａ ｄｉ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ＰＩ Ｄ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｌ ｇｏｒ ｉ ｔ ｈｍ， ｔ ｈ ｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏｄ ｕｃ ｅｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｌ ｇｏｒ ｉ ｔ ｈｍ ｏ ｆ ｄｏ ｕ— ｂｌ ｅ ｃｌ ｏｓ ｅ ｄ —ｌ ｏ ｏｐ ＰＩ Ｄ ｔ ｏ ｉ ｍ ｐｒ ｏｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｂａ ｌ ａ ｎ ｃｅ ｃ ａ ｒ ， ａｎ ｄ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｓ． ｒ ｅ ａｌ ｉ ｚ ｅ ｓ， ａ ｎ ａｌ ｙ ｚ ｅｓ ｔ ｈｅ ｈａ ｒ ｄ ｗａｒ ｅ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ａｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏｌ
传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 算 法 在 平 衡 车 控 制 系 统 中 的 应 用 存 在 很 大
的缺陷。 在传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 中 ， 积 分 控 制 环 节 的引 入 是 为 了消 除被控量 的静态误差 ， 以提高控制精度 ； 在平 衡车控制 系统 中 ，
２ 软 件 系 统 设计
制。直立控制部分中 ， ＭＣＵ将 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 采 集 到 的 车 体
倾 角 信 息 进 行 卡 尔曼 滤波 ［ ４ ］ ， 并将 滤波 后 的信 号 作 为 Ｐ Ｄ 控 制 的 实际参量 ， 得 到车 体 的 直 立 控 制 量 ， 加载 到电机驱动上 ， 使 车 体
生较大的超调 ， 甚 至 导 致 平 衡 车 产 生 较 大 的 震 荡 。除 此 之 外 ， 传
由 图 ２的受 力分 析 可 知 ， 双 轮 驱动 智 能 车 在 受到 外 界 干 扰 而
｛ － ｒ 业控制计算机／ ２ ０ １ ７年第 ３ ０卷 第 ６期
７ ３
双轮 自平衡车的双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ控制系统设计与实现
Ｄｏ ｕ ｂ ｌ ｅ Ｃｌ ｏ ｓ ｅ ｄ Ｌ ｏ ｏ ｐ ＰＩ Ｄ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｔ ｗｏ－ Ｗｈ ｅ ｅ ｌ Ｓｅ ｌ ｆ — — Ｂａ ｌ ａ ｎ ｃ ｉ ｎ ｇ Ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ
能 基 本 保 持 直立 ；速 度 控 制 部 分 中 ，利 用 编 码 器 反 馈 的 车 速 信
息， 通过双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 得 到速 度 控 制 量 ， 将Leabharlann Baidu速 度 控 制 量 和 直
电机采用同一个 Ｐ Ｉ Ｄ控制器 ， 容易引起车体产生震荡。
立 控 制 量叠 加后 加 载 到 电机 上 ， 完 成 车体 的控 制 任 务 。 ２ ． ２ 直 立 控 制 部 分 算 法
双轮驱动智能车的基本原理与倒立摆相似 ， 其力学模型（ ５ 。 ８ ］
如 图 ２所 示 。
本文提 出了一种双 闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 系统 ， 其避 免了 Ｐ Ｉ Ｄ 控
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂａｌ ａｎ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ａｒ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｗ ｏ— ｔ ｗｈｅ ｅｌ ｓ ｅｌ ｆ —ｂ ａｌ ａｎ ｃｉ ｎ ｇ ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ， ＰＩ Ｄ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｌ ｇｏｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｄ ｏｕ ｂｌ ｅ ｃｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ
２ ． １控 制器 组 成
系 统 中 的 控 制器 由两 部 分 组 成 ，分 别 是 直 立 控 制 和 速 度 控
由于 平 衡 车 在 启 动 过 程 或 车 体 在 较 差 的路 况 中 运 行 ，车 体 倾 角
会 发 生 大 幅 度 地 变 化 ，平 衡 车 系 统 在 较 短 的 时 间 内 会 产 生 较 大 的 输 出 偏 差 。此 时 ， Ｐ Ｉ Ｄ控 制器 中 的积 分 控 制 环 节 会 导 致 系 统 产
林 枫 蔡 延 光 （ 广东工业大学 自动化学院， 广东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
摘要 ： 双 轮 自平 衡 车 是 一 种 集 环 境 感 知 、 规划决策、 自主 驾驶 等 功 能 为 一 体 的 综 合 性 系统 。提 出 了一 种 双 闭 环 式 Ｐ Ｉ Ｄ控
制 系统 实 现 双轮 自平衡 车 的 控 制 。针 对 传 统 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 算 法 的 缺 陷 ， 该 系 统 引入 了双 闭 环 式 Ｐ Ｉ Ｄ 改进 平衡 车 的 控 制 算 法 。 同 时 对 平衡 车 的硬 件 系统 与软 件 控 制 系统 进 行 了设 计 、 实现 与 分析 。 实验 表 明 ： 所提 出 的控 制 系统 是 有 效 可 行 的 ， 提 高 了平
衡 车 的稳 定性 和动 态 响应 性 。
关键词 ： 双 轮 自平 衡 车 ， Ｐ Ｉ Ｄ控 制 算 法 ， 双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｉ ｓ ｐａｐ ｅｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅｎ ｔ ｓ ａ ｄｏ ｕｂｌ ｅ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅｄ－ｌ ｏｏ ｐ ＰＩ Ｄ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｏ ａ ｃｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｔ ｗｏ－ｗｈ ｅ ｅｌ ｓ ｅ ｌ ｆ －ｂ ａｌ ａｎ ｃ —
制 器 中 的 积 分 环 节 在 平 衡 车 的倾 角 发 生 大 幅度 地 变 化 的 情 况 下 引起 的超 调 和 震 荡 ，解 决 平 衡 车 两 个 电机 性 能 差 异 对平 衡 车 控
制 系 统 的 干扰 ， 提 高 了平 衡 车 控 制 系 统 的稳 定 性 。
１ 硬 件 系统 设 计
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传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 算 法 在 平 衡 车 控 制 系 统 中 的 应 用 存 在 很 大
的缺陷。 在传统 的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 中 ， 积 分 控 制 环 节 的引 入 是 为 了消 除被控量 的静态误差 ， 以提高控制精度 ； 在平 衡车控制 系统 中 ，
２ 软 件 系 统 设计
制。直立控制部分中 ， ＭＣＵ将 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 采 集 到 的 车 体
倾 角 信 息 进 行 卡 尔曼 滤波 ［ ４ ］ ， 并将 滤波 后 的信 号 作 为 Ｐ Ｄ 控 制 的 实际参量 ， 得 到车 体 的 直 立 控 制 量 ， 加载 到电机驱动上 ， 使 车 体
生较大的超调 ， 甚 至 导 致 平 衡 车 产 生 较 大 的 震 荡 。除 此 之 外 ， 传
由 图 ２的受 力分 析 可 知 ， 双 轮 驱动 智 能 车 在 受到 外 界 干 扰 而
｛ － ｒ 业控制计算机／ ２ ０ １ ７年第 ３ ０卷 第 ６期
７ ３
双轮 自平衡车的双闭环式 Ｐ Ｉ Ｄ控制系统设计与实现
Ｄｏ ｕ ｂ ｌ ｅ Ｃｌ ｏ ｓ ｅ ｄ Ｌ ｏ ｏ ｐ ＰＩ Ｄ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｔ ｗｏ－ Ｗｈ ｅ ｅ ｌ Ｓｅ ｌ ｆ — — Ｂａ ｌ ａ ｎ ｃ ｉ ｎ ｇ Ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ