周斌　孔丙亞　馮高明

摘要：為了解決基于卡爾曼濾波和PID算法的自平衡小車的調(diào)試過程復(fù)雜、需要反復(fù)調(diào)試的問題，本文給出了一種按照姿態(tài)檢測模塊、角度環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)的先后順序?qū)ψ云胶庑≤囘M(jìn)行調(diào)試的方法，并對具體的調(diào)試過程進(jìn)行了分析。調(diào)試和實驗結(jié)果表明這種調(diào)試的步驟和方法縮短了自平衡小車的調(diào)試時間，簡化了調(diào)試過程。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波;PID算法;自平衡小車

引言

兩輪自平衡小車是一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，是研究各種控制理論的實驗和研究平臺，理論意義和現(xiàn)實意義都很重大。很多自平衡小車都采用的是PID算法，在進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)試時，調(diào)試過程比較復(fù)雜，需要反復(fù)調(diào)試。本文結(jié)合基于卡爾曼濾波和PID算法的自平衡小車調(diào)試過程給出了調(diào)試的一般步驟和方法。

1 系統(tǒng)硬件上電調(diào)試

硬件上電測試是進(jìn)行自平衡小車系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試前的準(zhǔn)備工作，目的是為了確定系統(tǒng)的各個硬件模塊都可以正常的工作。將測試程序從計算機(jī)下載到自平衡小車系統(tǒng)后，給自平衡車車上電，觀察自平衡車的運動狀態(tài)，自平衡小車的運動狀態(tài)如果符合測試程序的預(yù)期輸出，說明系統(tǒng)的硬件電路沒有問題，可以進(jìn)入下一步進(jìn)行系統(tǒng)各個參數(shù)的具體調(diào)試。

2 系統(tǒng)軟件PID參數(shù)調(diào)試

2.1姿態(tài)檢測模塊調(diào)試

姿態(tài)模塊的調(diào)試對象主要是姿態(tài)傳感器陀螺儀和加速度計，調(diào)速的目的是要保證測得的角度和角速度信號的準(zhǔn)確性。調(diào)試過程如下：使自平衡車與地面保持一定的傾角（調(diào)試時采用了45⁰、90⁰、135⁰三種傾角），觀察陀螺儀與加速度計實際的輸出數(shù)值，每一種狀態(tài)多測幾組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測得的數(shù)值求出測量平均值，將測得的平均值與角度的實際值進(jìn)行對比，求出兩者之間的誤差，然后對該誤差進(jìn)行補償。

2.2角度環(huán)參數(shù)調(diào)試

直立角度環(huán)控制輸出函數(shù)為：

AngleControlOut=VehicleAngle*VehicleAngle_P+VehicleAngle_dot* VehicleAngle_D;//角度*P+角速度*D

角度環(huán)控制參數(shù)有兩個，分別是比例系數(shù)VehicleAngle_P和微分系數(shù)VehicleAngle_D。VehicleAngle_P決定著自平衡車回復(fù)力大小，比例系數(shù)大于重力加速度才能使回復(fù)力的方向與平衡車的傾斜方向相反。這兩個數(shù)值在調(diào)試的時候一定要從最小的數(shù)值逐步向大的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能從大的數(shù)值向小的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則會對小車的穩(wěn)定性有錯誤的判斷。而且從小數(shù)值向大數(shù)值調(diào)節(jié)的過程中會對自平衡車穩(wěn)定性的逐步改善有所體會。調(diào)試器先將小車的電池充滿電，否則調(diào)試的結(jié)果會大打折扣。當(dāng)兩個參數(shù)全為0時，小車沒有任何動作，因為即使姿態(tài)檢測模塊測量有一定的數(shù)值，但PWM波的占空比為0，逐步調(diào)大P，可以按照0-1-2-4-8-16-32-64的順序來調(diào)試。當(dāng)P為16時系統(tǒng)開始有明顯的反饋;當(dāng)P為32時反饋力度還不夠，小車經(jīng)過擺動后最后還不能直立，但當(dāng)P為64時，小車抖動比較明顯，說明P的設(shè)定值有點大，需要向下調(diào)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，當(dāng)比例系數(shù)P為54時，自平衡小車基本上可以保持站立，但還有低頻振蕩現(xiàn)象。此時可以小幅度的調(diào)整P，盡量減小振蕩的次數(shù)，最后確定當(dāng)P為53時，效果相對來說比較可以接受，比例系數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)束。如果加入合適的微分系數(shù)即給自平衡車的振蕩加入一定的阻尼力，便可以有效地抑制小車的振蕩，當(dāng)微分系數(shù)過大時，會引起小車本身的高頻振蕩，其原因在于小車具有一定的共振頻率，如果微分參數(shù)過大自平衡車會在電機(jī)的驅(qū)動下產(chǎn)生共振。

比例系數(shù)P和微分系數(shù)D兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)時應(yīng)該先調(diào)節(jié)P后調(diào)節(jié)D，當(dāng)調(diào)到可以使小車基本上保持直立但還是存在低頻振蕩時說明P基本上可以克服重力的影響，下一步就需要調(diào)節(jié)D。D調(diào)節(jié)也是按照從小到大的原則進(jìn)行（實際按照0.01-0.1-0.5的數(shù)值進(jìn)行調(diào)試），直至小車可以保持短暫的直立，進(jìn)一步增D，自平衡車開始出現(xiàn)共振，這時就不能再增加D的數(shù)值了，然后再適當(dāng)減小D反復(fù)調(diào)整。最后D的數(shù)值確定為0.3。但此時自平衡車還不能保持穩(wěn)定，稍加干擾自平衡車就會朝干擾方向加速前進(jìn)，說明僅有角度反饋閉環(huán)控制很難保持自平衡車的長期穩(wěn)定，還需要加入速度環(huán)控制，即對速度環(huán)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和整定。

2.3速度環(huán)參數(shù)調(diào)試

速度環(huán)控制輸出函數(shù)為：

SpeedControlOutNew=（VehicleSpeedOldVEHICLE_SPEED_SET）*VehicleSpeed_P+（VehiclePosition - VEHICLE_POSITION_SET ） * VehicleSpeed_I;// 速度*P +位移*I

確定好角度比例系數(shù)與微分系數(shù)之后，還需要進(jìn)行速度控制參數(shù)的調(diào)試。速度閉環(huán)有比例系數(shù)VehicleSpeed_P和積分系數(shù)VehicleSpeed_I兩個可調(diào)參數(shù)。

在對兩個參數(shù)進(jìn)行調(diào)試時，因為調(diào)試的目的是要使小車穩(wěn)定在某一特定位置，而不是運動起來，所以先將給定速度值設(shè)為零，然后再對在P和I進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程遵循的原則是先對I進(jìn)行調(diào)試后對P進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程為：首先逐步增大I，增大梯度很小，從0.1-0.15-0.2-0.4，調(diào)試過程中要仔細(xì)觀察小車的運動狀態(tài)，當(dāng)I從0.1-0.15-0.2增加的過程中，自平衡車始終是向某一方運動，沒有向設(shè)定的0位回轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，當(dāng)把I設(shè)定為0.4時，自平衡車可以向0位回轉(zhuǎn)，但調(diào)整的距離（位移量）有點大，說明這個參數(shù)有點大了，設(shè)定為0.3，自平衡車可以在0位附近來回抖動，但是回到0位的速度有點小。現(xiàn)在需要解決的問題是如何減小自平衡車在0位的擺動幅度，這個問題可以通過調(diào)整P來解決。逐漸增大比例系數(shù)，實際調(diào)節(jié)是從1-2-4-5，當(dāng)把P設(shè)定為1、2、4時，小車回到0位的速度變快，但擺動幅度或者說振蕩距離還是有點大，當(dāng)把P設(shè)定為5時，小車的抖動幅度很小，可以較快的停留在平衡位置。但在外來干擾作用下，自平衡車的調(diào)節(jié)時間還是有點長，需要進(jìn)一步提高抗干擾性能。再減小I的數(shù)值為0.15，小車可以很快的趨于0位并保持平衡靜止。

2.4轉(zhuǎn)向環(huán)參數(shù)調(diào)試

相對于角度負(fù)反饋環(huán)與速度負(fù)反饋環(huán)的參數(shù)調(diào)試，轉(zhuǎn)向負(fù)反饋環(huán)的調(diào)試比較簡單，只需要調(diào)試比例系數(shù)一個參數(shù)，它決定了轉(zhuǎn)向的速度，可以直接將比例系數(shù)定為1。

3小車自平衡實驗

將以上內(nèi)容進(jìn)行綜合整定，然后對小車進(jìn)行整體調(diào)試，最終可以達(dá)到理想效果，即不發(fā)送控制指令時可以靜止平衡，發(fā)送相應(yīng)的控制指令時可以完成對應(yīng)的動作。

小車上電后先是向某一方向做加速運動，超過平衡位置后又向相反的方向運動，經(jīng)過幾次往復(fù)運動后至平衡狀態(tài)。自平衡小車實現(xiàn)自平衡的時間為4s，平衡時的傾角大約為10度左右。在常規(guī)干擾情況下，自平衡車的調(diào)節(jié)時間約為7s。小車以較快的速度調(diào)整姿態(tài)，然后逐漸趨向平衡狀態(tài)。

4.結(jié)論

（1）調(diào)試時要按照姿態(tài)檢測模塊、角度環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)的先后順序進(jìn)行，可以縮短系統(tǒng)的調(diào)試時間;

（2）按照文中的方法對系統(tǒng)各個模塊的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)試后，可以使小車達(dá)到一個比較好的平衡狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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