平衡车个人经验 - 图文

倒立摆系统是学习与研究现代控制理论最理想的实验装置之一。作为一个被控对象，它具有典型的快速响应、多变量、非线性、开环不稳定的特点，必须施加一定的控制手段才能使之稳定；作为一种实验装置，倒立摆直观、形象、简单、而且其外观形状和机械参数都易于改变，具有挑战性的问题，许多新的控制理论，都通过倒立摆控制实验加以验证，许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性，系统收敛速度和系统抗干扰能力，都可以通过倒立摆直观地表现出来。 从工程背景来讲，日常生活中所见到的各种重心在上、支点在下的物体的稳定问题，例如机器行走，过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星的姿态控制等，均涉及到倒置问题。

角度传感器

角度传感器模块由两个部分组成一个是ADXL320的加速度IC和一个IDG300的陀螺仪。如下图，其中LP2980只是一个电源管理IC，它把输入模块的5V电压稳压在3V，供电给陀螺仪和加速度传感器使用。

ADXL320是两轴的加速度传感器，它的作用是测量重力的方向，重力本身就是一个加速度，加速度单位我们用g来表示，1g为9.8米/秒。我们的模块供电电压为3V，查数据手册得知它的灵敏度为174mV/g，零点位置时的输出电压为1.5V，也就是说转动ADXL320让它某个轴受到重是正负一个g时，它的输出电压变化在1.326V到1.674V。

IDG300是测量角速度的传感器，可以测量两个轴向上的角速度变化的大小，当它的角速度增大时输入电平越高，当反向转动时输出电平变低。角度变化速率可达500o/sec，可测量的带宽限制在140Hz，其灵敏度为2mV/度/秒，静态输出1.5V。也就是说，假如它一秒种转动了1度，输出电压则为1.502V。但一般的陀螺仪输出都会随温度而漂移，这多少会影响些程序上的计算。

之所以要使用陀螺仪，因为加速度传感器不仅是测量了重力，还会测量到车体的振动和受车体加速度的干扰，所以我们的算法是用加速度的积分值与角速度的微分值相加，让它们数据

整合生成一个角度值。

PID控制

PID是工业控制上的一种控制算法，其结构简单、各个参数有着明显的物理意义、调整方便等特点，在各种控制领域仍然被广泛的使用，计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机PID控制器中。 应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性 好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手 段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简 称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是 由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超 前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，

而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。

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总成本：2500，因为要调试，加上无线通信模块硬件，加上浪费，加上学习支出，（书）备件等。比如电钻，和单下机下载器这类不上车的东西。

净成本：只算上车元件花的费用，不算手工制造费 1700元。

制作时间：在3-5月份做的小车，5月份起到今天做的载人平衡车。

现在只是做到了平衡，不能转向，只有一个PID CPU 先后用过LPC2368，LPC2478和AVR M128。

最后使用的AVR，因为AVR编程太方便了，我感觉用ICC编程时它比51还容易，如果我编程水平很高，建议使用STM32，主要原因是计时器太多了，够用。 陀螺仪先后用过 NC-03 EWTS82还是EWTS82稳定性好些。 加速度传感器先后用过：adxl330,mma7361,mma7260，

adxl330,输出幅动太小，计算上容易出现误差，mma7361输出电流太小，连一个AD转换动都驱动不了，mma7260大众的选择总是正确的。

电源：双电源，5V控制电路使用，36V电机驱动使用，认为这样可以抗电机干扰。

5V电源由3.6V转过来，带充电功能 5V电源板。

驱动

驱动这部分对于我来说算是比较费时的，因为自己的电子技术不高，电路板元件耐压选择错误造成了时间的浪费，我的电机驱动如下图，自己以为下面的升压二级管的耐压要求不同就误用了5819，出现了车下用12V电源测试时很好，但上车（36V）时就出现问题，不能驱动，后查手册发现5819耐压只有30V，于是换成了耐压800V3A的高速管。手头有什么用什么。 另外这种电路的驱动电压可以很高，你也可以应用到36V或是42V的电源上来，我的车就是36V的。相应提高元件的耐压就可以了。