两轮自平衡小车毕业设计讲解

常熟理工学院毕业设计（论文）

确，这也说明了陀螺仪的输出数据只在短时有效。同时，加速度计测量出来的角度在90°附近变化，若长期记录加速度计的测量角度再求其均值则会发现加速度计的输出信号长时间较为稳定，但其受震动影响较大，测量值在真实值上下波动。

图5-3陀螺仪及加速度计测量倾角显示

通过对陀螺仪及加速度计单独检测结果的分析也说明了采用多传感器数据融合的必要性。所以，对卡尔曼滤波器的调试又是姿态检测系统中的重点。

卡尔曼滤波器的调试采用串口波形显示的方式进行。小车通过串口通讯向PC机发送滤波前与滤波后的姿态倾角数据，通过上位机波形显示软件，将离散的数据点描绘为动态波形，并在同一坐标系中显示，通过对比可以直观的看出滤波器滤波效果，便于调试。由于陀螺仪需要经过积分，因为积分周期在滤波器中的设定也尤为重要，为了与实际应用相符，调试时数据发送周期为10ms，采样率为100Hz。

首先对滤波器的相关参数进行设定。通过理论分析，结合国内外研究者的经验，对卡尔曼滤波器参数进行了初步设定。滤波器中需要整定的参数主要有三个：陀螺仪权值Q_gyro、加速度计权值Q_angle以及卡尔曼增益R_angle。

滤波器参数设置完毕后，系统向上位机发送数据。此时，保持小车后轮不动，对小车姿态倾角进行人为改变，通过上位机软件显示波形，如图5-4。

图中标号为1的波形是加速度计测量倾角波形，标号为2的波形为经卡尔曼滤波器后的倾角波形。可以发现，未滤波前的波形其噪声很大，有的地方尖峰噪声超过了真实值很多。而经过滤波后的波形则十分平滑，没有毛刺，同时也可以精确显示小车姿态信息。

42

常熟理工学院毕业设计（论文）

图5-4 卡尔曼滤波器输出波形（1为加速度计输出，2为滤波器输出）

将滤波器输出波形放大后（如图5-5）发现，倾角状态改变时滤波器有一定的滞后，这会对小车的平衡控制产生影响导致小车不能稳定。

图5-5放大后的波形存在滞后（1为加速度计输出，2为滤波器输出）

对滤波器参数不断调整后，滤波器输出波形达到很好的效果，如图5-6。

图5-6 输出波形较为理想（1为加速度计输出，2为滤波器输出）

5.4控制系统PID参数整定

在两轮自平衡车的平衡控制中，采用了PD控制器。P作为比例控制，其主要作用是

43

常熟理工学院毕业设计（论文）

放大倾角偏差，输出电机控制器，对小车来说P控制提供了抵消重力分量的回复力；D控制其主要作用预知倾角偏差的变化趋势，在系统中相当于提供了阻尼力。PD在两轮自平衡小车中的作用如图5-7。

图5-7 两轮自平衡小车PD控制模型

分析可知，本系统只使用P控制就可以使小车达到稳定，但是调整时间较长，且小车会在平衡位置振荡。加入D控制可以减小动态偏差，缩短控制过程时间。

对PID参数的整定可以使用试凑法。首先，调整Kp大小，让车站起来，小车在直立的过程中会有振荡。然后将Kp减少至原值的70%，慢慢提高Kd的大小直到小车的可以稳定的平衡。最后将Kp的值加大一点并对Kd的值进行微调，使小车能够快速稳定的保持平衡。

5.5两轮自平衡小车动态调试

根据系统要求，小车不仅能够稳定的站立还要完成前进、后退、转弯等动作。因此还要对小车的动态性能进行调试。

为了更好的测试小车的动态性能，系统设计了一种寻线方式：通过自动识别道路中心线位置处由通有100mA 交变电流的导线所产生的电磁场而前进。通过人为的设置一些较为复杂的道路，观测小车在自动识别路径并实现前进、后退、转弯等动作时是否能灵活自如，从而对其动态性能进行改进。

经过较长时间的测试与调整，本系统设计的两轮自平衡小车不仅可以实现稳定的站立，还能够实现前进、后退、转弯等运动，其运动较为灵活。在未知道路上，小车可以自主检测路径并沿路径前行如图5-8。

44

常熟理工学院毕业设计（论文）

图5-8 两轮自平衡车实现自主识别道路

5.6本章小结

本章主要阐述系统各个模块的调试步骤和方法，重点阐述了卡尔曼滤波器的调试方法，并设计了一种小车动态性能的测试方法。最终，小车的动态性能得到较大提高。

45