平衡小車的控制原理和實踐資料說明

　　1、平衡小車控制原理

　　先記住一句話，直立環(huán)和速度環(huán)的結合是保持小車長期穩(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。

　　舉個例子

　　大家都玩過的用手控制木棍直立不倒的游戲。這是一個通過眼睛觀察木棒的傾角和傾斜趨勢（角速度），通過手指的移動去抵消木棒傾斜的角度和傾斜的趨勢使木棒能直立不倒的一個過程。典型的負反饋機制。

　　平衡小車也是如此，小車運動方向與傾斜方向一致，通過測量小車的傾角和傾角速度，進而通過控制小車車輪的加速度來消除小車的傾角和傾角速度，這樣理論上不考慮電機極限的情況下，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動，傾斜角度越大，小車運動越快。

　　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，然后就朝著一個方向倒去了。具體原因要從具體的平衡控制結構來分析。我們使用的傳感器是單一的MPU6050，通過DMP庫獲取數(shù)據(jù)，輸出的是角度以及角速度信號，而我們控制的是電機，不考慮電機的感受（也就是電機的速度幅值），只要求平衡車的角度能夠保持絕對平衡。

　　只有直立環(huán)的平衡小車會倒下的原因：

　　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，平衡車就會有一個方向的加速度，而此時小車角度平衡，小車平移速度沒有限制，這樣就可能超過PWM的幅值，導致電機無法加速了，也就沒有了有效的回復力，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，盡量讓小車保持靜止，就是小車速度為零。也就是對小車平移速度進行限制。

　　平衡小車速度環(huán)的原理：根據(jù)經(jīng)驗知道，小車的運行速度和小車的傾角是相關的，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，此時小車不就有速度了嘛。如果對著速度進行閉環(huán)控制，那么這個環(huán)不就是速度環(huán)了嘛。如果將速度環(huán)的目標設置為0，小車不就可以長期穩(wěn)定平衡了嘛。