平衡车讲解

车模倾角是有车轮速度运动产生，因此车轮速度是倾角变量乘 车膜长度，重点是系统进行速度比例负反馈。
车模角度和速度控制框图如下：
在上图中，角度控制需要两个控制参数，分别是比例控制参数Pangle 和微分控制参数Dangle。速度控制同样也有两个参数，分别是比例控 制参数Pspeed和微分控制参数Dspeed。在这两个控制中都使用了微分控 制，目的是增加车模的角度和速度的稳定性，防止控制超调。
车模角度和角速度的测量
加速度传感器
MMA7260三轴加速度传感 器
通过AD采样的电压信号可以算出倾斜角度
在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加 速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使 得输出信号无法准确反映车模的倾角
车轴长度为h，角速度为θ '，运动加速度为a，则在在加速度传感 器Z轴上由于车模运动引起的加速度为hθ '+a，为了减少运动引起 的干扰，加速度传感器安装的位置越低越好，但是无法彻底消除 影响。
（2） 受到与运动速度（角速度）相 反的阻尼力。 只有存在一个临界阻尼系数，才能使 单摆回到平衡位置的时间最短。（如 右图中的绿色曲线）
对车模进行受力分析如左图，车模不 能稳定在平衡位置，是因为它在运动 时受到的回复力与位移方向相同。解 决的方法就是加一个额外的受力，时 恢复力与位移方向相反。 通过让小车加速运动，可以使它受到 额外的惯性力，这样车模数道德回复 力为： 为了让车膜尽快恢复到平衡位置，还 需要增加阻尼力，空气阻尼和摩擦力 相对都比较小，所以还需增加一个与 偏角速度成正比，方向相反的阻尼力， θ为车模倾角，θ'为车模角速度
车模方向控制
通过电机驱动差动电压控制车模方向
车模方向控制算法
在方向控制算法中，比例控制参数PDIR是直接控制车模方向 的，而微分控制参数DDIR是根据车模方向的变化率队电动 机差动控制量进行修正。
车模运动控制总框图
为了实现车模直立行走，需要采集如下信号：
1.车模倾角速度陀螺仪信号，获得车模的倾角和角速度。 2.重力加速度信号（z轴信号），补偿陀螺仪的漂移。该信 号可以省略，有速度控制替代。 3.车模电机转速脉冲信号，获得车模运动速度，进行速度控 制。
车模运行速度和加速度是通过控制车轮速度实现的，车轮 通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动，因此通过控 制电机转速可以实现对车轮的运动控制。 电机的运动控制有三个作用:
1.通过电机加速度控制实现车模平衡稳定; 2.通过电机速度控制，实现车模恒速运行和静止； 3.通过电机差速控制，可以实现车膜方向的控制。
对车模的受力分析中
可以看出。为了使车模保持在平衡位置，车模加速度
控制参量k1决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置， 它必须大于重力加速度； k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数，选取合适的阻 尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。
在该平衡控制中，与角度成比例的控制量称为比例控制， 相当于回复力,也就是我们上面的系数k1，也是我们会在后 面提到的Pangle，该参数应该大于重力加速度g的等效值才能 使车膜保持直立，若参数过大，会引起车模震荡； 与角速度成比例的控制量称为微分控制，其中的微分参数 相当于阻尼力,也就是我们上面的系数k2，后面我们会提到 的Dangle，该参数可有效抑制车模的震荡，若参数过大，车 模会抖动。 总结控制平衡车直立的条件： 1、能够精确测量车模倾角和角速度的大小 2、能够控制车轮的加速度
上面提到的方法中重要的是重力加速度角度补偿时间 Tg的确定和调试，Tg越大，角度输出跟踪Z轴输出越慢，但 可以有效抑制重力加速度计上的噪声。Tg过大，就会放大 陀螺仪输出误差。一般根据实际情况，大约为1~4秒。
为了避免输出角度θ 跟踪时间过长，可以采取以下两 个方面的措施：
1.仔细调整陀螺仪的放大电路，使得它的零点偏置尽量接近于设定 值，并且稳定。 2.在控制电路和程序运行的开始，尽量保持车模处于直立状态，这 样一开始就使得输出角度θ 与gθ 相等。此后，加速度计的输出只是消 除积分的偏移，输出角度不会出现很大的偏差。
由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运 算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运 算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐 步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号
一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行 校正。通过对比积分得到的角度和重力加速度得到的角度，使用它们之 间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到角速度传感器 所得到的角度。
控制车模平衡
我们把车模简化成倒立的单摆
对单摆进行受力分析，当 物体离开平衡位置，会受 到一个回复力使之恢复平 衡
这个力与偏移的角度之间 大小成正比，方向相反。 而单摆是因为受到与单摆 运动速度成正比，方向相 反的空气阻尼力才能停在 平衡位置。
总结单摆能够稳定在垂直位置的条件 有两个：
（1） 受到与位来自百度文库（角度）相反的恢 复力；
角速度传感器——陀螺仪
车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这 些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会 使得信号无法实时反映车模倾角变化，从而减缓对于车模车轮控制。 另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。因此，我们获得角速度信 息需要另一器件——陀螺仪。
由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响， 因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这 可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需 要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。
平衡车
设计总的步骤
原理
电路设计
机械设计 软件开发 车模调试
原理篇
整个车模控制任务可以分解成三块： 1.控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直 立平衡状态； 2.控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制， 实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速 度的控制； 3.控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车 模转向控制
车模速度控制
首先，我们可以通过安装在电机输出轴上的光码盘来测 量车迷的车轮速度。利用控制单片机的计数器测量在固定 时间间隔内速度脉冲信号的个数可以 反应电机的转速。
通过车模直立控制实现车模倾角的改变
可以看出车模倾角设定量与车模倾角变化之间大体呈现一个一阶 惯性环节
根据速度误差控制车模倾角
4.车模电磁偏差信号（两路），获得车模距离中心线的位置 偏差，进行方向控制。
5.车模转动速度陀螺仪信号，获得车模转向角速度，进行方 向控制。