两轮小车自平衡控制系统的研究与设计

两轮小车自平衡控制系统的研究与设计
随着传统交通工具带来的能源危机、交通拥堵、环境污染等问题日益凸显,人们对新型交通工具的需求日益迫切。

两轮自平衡小车体积小、方便携带,并且采用电池供电不会产生尾气,是现今交通运输领域研究的重点。

同时,两轮自平衡小车是动态稳定的系统,它有着强耦合、非线性、欠驱动、多变量的特点。

因此可以在两轮自平衡小车这个平台上对各种控制算法进行验证,具有一定的理论研究意义。

在两轮自平衡小车领域国内外研究现状的基础上,本文对小车的姿态角检测和自平衡控制进行了研究。

首先,采用牛顿力学原理对小车的车轮、车身和电机分别建立数学模型,并根据三者之间的关系建立小车整体系统的模型。

然后,对小车模型在平衡位置进行线性化,得到简化模型。

对简化的模型进行能观性和能控性分析并采用PID控制理论对小车系统设计平衡控制器。

小车的姿态角包括车身倾角和偏航角,它是小车控制器设计的重要变量,因此姿态角的准确性显得尤为重要。

在本文中使用四元数来描述姿态角,并且对微机电系统(MEMS)采集到的数据利用扩展卡尔曼滤波(EKF)原理进行融合,得到更为准确的姿态角。

最后,对小车各个模块选择相应的芯片,组装小车实体模型。

对两轮自平衡小车的驱动电路、主控电路、检测电路、无线通信电路进行设计,并对各部分编写程序,使小车能够正常工作。

在Matlab中对小车PID控制以及EKF数据融合进行了仿真分析,结果表明小车的PID控制器能够很好的对小车稳定控制,而利用EKF融合使得小车姿态角则更加准确。

在搭建的两轮自平衡小车实物展示中,小车能够保持良好平衡控制效
果。