平衡小車的控制原理和實(shí)踐資料說(shuō)明

　　1、平衡小車控制原理

　　先記住一句話，直立環(huán)和速度環(huán)的結(jié)合是保持小車長(zhǎng)期穩(wěn)定平衡的前提。相信大家讀到最后一定可以明白這句話的含義。

　　舉個(gè)例子

　　大家都玩過(guò)的用手控制木棍直立不倒的游戲。這是一個(gè)通過(guò)眼睛觀察木棒的傾角和傾斜趨勢(shì)（角速度），通過(guò)手指的移動(dòng)去抵消木棒傾斜的角度和傾斜的趨勢(shì)使木棒能直立不倒的一個(gè)過(guò)程。典型的負(fù)反饋機(jī)制。

　　平衡小車也是如此，小車運(yùn)動(dòng)方向與傾斜方向一致，通過(guò)測(cè)量小車的傾角和傾角速度，進(jìn)而通過(guò)控制小車車輪的加速度來(lái)消除小車的傾角和傾角速度，這樣理論上不考慮電機(jī)極限的情況下，小車就可以平衡。

　　直立環(huán)的引出

　　理想情況下，控制電機(jī)的加速度和小車傾角成正比，可以讓小車保持平衡，就是小車向傾斜的方向運(yùn)動(dòng)，傾斜角度越大，小車運(yùn)動(dòng)越快。

　　速度環(huán)的引出

　　往往，我們只使用直立環(huán)，小車只能短暫的平衡幾秒，然后就朝著一個(gè)方向倒去了。具體原因要從具體的平衡控制結(jié)構(gòu)來(lái)分析。我們使用的傳感器是單一的MPU6050，通過(guò)DMP庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，輸出的是角度以及角速度信號(hào)，而我們控制的是電機(jī)，不考慮電機(jī)的感受（也就是電機(jī)的速度幅值），只要求平衡車的角度能夠保持絕對(duì)平衡。

　　只有直立環(huán)的平衡小車會(huì)倒下的原因：

　　那么假如小車現(xiàn)在平衡狀態(tài)，控制閉環(huán)出現(xiàn)了微小的干擾，平衡車就會(huì)有一個(gè)方向的加速度，而此時(shí)小車角度平衡，小車平移速度沒(méi)有限制，這樣就可能超過(guò)PWM的幅值，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法加速了，也就沒(méi)有了有效的回復(fù)力，所以小車就倒了。所以速度環(huán)出現(xiàn)了，在小車平衡的同時(shí)，盡量讓小車保持靜止，就是小車速度為零。也就是對(duì)小車平移速度進(jìn)行限制。

　　平衡小車速度環(huán)的原理：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道，小車的運(yùn)行速度和小車的傾角是相關(guān)的，比如小車前傾，是不是直立環(huán)要使小車向前加速，讓小車保持平衡，此時(shí)小車不就有速度了嘛。如果對(duì)著速度進(jìn)行閉環(huán)控制，那么這個(gè)環(huán)不就是速度環(huán)了嘛。如果將速度環(huán)的目標(biāo)設(shè)置為0，小車不就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定平衡了嘛。