兩輪平衡車兩輪平衡車二、項目描述三、功能分析六、總結(jié)提高一、項目背景四、學(xué)習(xí)咨訊五、項目實施

兩輪自平衡機器人的概念，最早是在1987年由日本電信大學(xué)教授山藤一雄提出來的。這個概念就是用數(shù)字處理器來檢測平衡狀態(tài)的改變，然后以平行雙輪來保持機器的平穩(wěn)。

兩輪自平衡小車類似于一階倒立擺，由于其不穩(wěn)定的動態(tài)特性，兩輪自平衡小車成為驗證各種控制算法的理想平臺，具有重要的理論意義。到現(xiàn)在為止,全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了非常多的兩輪自平衡小車的成功例子，有些已經(jīng)運用到現(xiàn)實生活領(lǐng)域，Segway代步車是最成功的代表。一、項目背景二、項目描述使用“創(chuàng)意之星”套件設(shè)計并制作一款兩輪平衡車機器人，功能要求如下：√采用兩輪結(jié)構(gòu)；√能夠自主保持動態(tài)平衡。結(jié)構(gòu)框圖功能及實現(xiàn)部件表三、功能分析四、學(xué)習(xí)資訊紅外測距傳感器

紅外測距傳感器為模擬量傳感器，可通過Luby

Crater軟件的常規(guī)監(jiān)控器進行紅外測距傳感器的數(shù)值獲取。傳感器的規(guī)格數(shù)據(jù)如下:√1.探測距離:10~80cm；√2.工作電壓:4~5.5V；√3.標(biāo)準(zhǔn)電流消耗:33~50mA；√4.輸出量:模擬量輸出,輸出電壓和探測距離非比例相關(guān)。兩輪平衡車的受力示意圖四、學(xué)習(xí)資訊動平衡不需要依靠運動過程中產(chǎn)生的慣性力而實現(xiàn)的平衡叫做靜平衡。機器人運動過程中，如果重力、慣性力、離心力等讓機器人處于一個可持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)叫做動平衡狀態(tài)。PID算法流程圖四、學(xué)習(xí)資訊PID控制算法PID即：Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）的縮寫。顧名思義，PID控制算法是結(jié)合比例、積分和微分三種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法，PID控制的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出。它具有原理簡單,易于實現(xiàn),適用面廣,控制參數(shù)相互獨立,參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點。u(k)=Kp(ek-ek-1)+Ki

ek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)+u(k-1)四、學(xué)習(xí)資訊PID增量式算法令△h=a-b，ω是兩輪的轉(zhuǎn)速，α是擺錘的轉(zhuǎn)角，假定順時針方向旋轉(zhuǎn)為正，根據(jù)小車狀態(tài)，可以分為三種情況：√△h<0：機器人左傾，輪子應(yīng)逆時針轉(zhuǎn)動，ω<0，擺錘順時針轉(zhuǎn)動，α>0√△h>0：機器人右傾，輪子應(yīng)順時針轉(zhuǎn)動，ω>0，擺錘逆時針轉(zhuǎn)動α<0√△h=0：機器人平衡，輪子不轉(zhuǎn)動，ω=0，α=0兩輪平衡車運動示意圖四、學(xué)習(xí)資訊控制原理對于PID算法來說，兩輪轉(zhuǎn)速ω與擺錘轉(zhuǎn)角α對應(yīng)輸出值u（k），△h相對于平衡時的差值對應(yīng)輸入偏差值ek，只需要套用PID算法公式，調(diào)整好控制的周期和Kp、Ki和Kd三個參數(shù)就能夠讓機器人實現(xiàn)動態(tài)平衡。兩輪平衡車運動示意圖四、學(xué)習(xí)資訊控制原理詳見兩輪平衡車搭建手冊五、項目實施——機器人搭建舵機ID號舵機位置備注1前輪電機模式2后輪電機模式3擺錘舵機模式五、項目實施——機器人搭建√動平衡對實時性要求很高，每隔2.5ms需要做一次傳感器采樣和PID算法，采用中斷實現(xiàn)。√主程序只進行硬件初始化，包括中斷和舵機初始化，然后執(zhí)行while（1）循環(huán)，等待中斷。√在中斷服務(wù)函數(shù)中，對左右兩個紅外測距傳感器依次進行采樣，再通過PID算法計算產(chǎn)生舵機速度和擺錘角度，實現(xiàn)小車的動平衡。五、項目實施——流程圖繪制開始中斷初始化舵機初始化while(1)循環(huán)2.5ms中斷函數(shù)對左紅外采樣對右紅外采樣PID計算設(shè)置舵機速度、角度返回詳細編程過程請見兩輪平衡車編程操作視頻五、項目實施——機器人編程由于一致性的原因，即使測量同樣的距離，兩個紅外傳感器獲取的值也不相同，在編寫控制程序之前，需要對傳感器進行標(biāo)定，通過LUBY常規(guī)

監(jiān)控器獲取機器人在平衡位置時兩個傳感器的值，以計算兩個傳感器在平衡狀態(tài)下的差值A(chǔ)DC_balance，多次測試取平均值。（

LUBY常規(guī)監(jiān)控器操作使用詳見相關(guān)視頻）五、項目實施——機器人調(diào)試五、項目實施——機器人調(diào)試實物調(diào)試時，先用手輕扶，盡量使其保持平衡，在輪子和擺錘沒有大幅變化后，慢慢松開，兩輪小車即可通過兩輪及擺錘的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自主平衡。本項目控制原理及算法復(fù)雜，同時采用Keil

C軟件直接對Luby控制器進行開發(fā)，總體難度較大，注意事項如下：√機器人安裝時要盡量保證兩臂的對稱，擺錘上使用的舵機安裝前必須首先恢復(fù)中位,安裝時需要盡量保證豎直，保證機器人的重心不偏離幾何中心。√程序中的Pk、Pi、Pd三個系數(shù)都是調(diào)試出來的，在實際調(diào)試中