杨俊伟

（广东东软学院 广东省佛山市 528225）

1 引言

自平衡车控制系统是移动机器人领域的热点问题，能够将人工智能技术和自动控制理论有机结合的典型应用。随着微电子技术的迅猛发展，自动控制与人工智能的融合会得到进一步提升，平衡车也是未来载具的重要方向之一[1]。本文以STM32 为主控制芯片，在数学模型分析基础之上，采用PID 算法和卡尔曼滤波实现了两轮自平衡车控制系统的设计与实现，由姿态传感器模块收集的倾角、角速度等数据，经过卡尔曼滤波数据融合分析，得到精确的平衡车姿态信息，通过PID 算法实现平衡车的直立控制、速度控制、转向控制、手机蓝牙遥控等，做到了平衡车的速度与稳定性的统一。

2 设计原理

如图1 所示，平衡车的运动状态与倒立的单摆相似，因此，利用可简化的单摆模型进行数学建模,不考虑空气阻力和摩擦力。设车体的质量为m，正常行驶时的加速度为a，平衡车与竖直方向之间的夹角为θ,当平衡车离开竖直方向平衡位置的时候，使重心恢复竖直方向所需拉力为：

当θ 很小时与sinθ 近似，车轮加速度a 与倾角成正比例关系，假设为k，因此可将公式近似为：

上述公式中，加入平衡车角速度ω 的阻尼力影响，可将公式修改如下：

因此，要将平衡车控制在竖直方向的加速度a 的控制公式为：

其中，θ 是倾角，ω 是角速度，k 和k1是比例系数，实际操作时，需要满足k>g，k1>0，实时测量平衡车的倾角，通过卡尔曼滤波和PID 算法给予电机控制信号来控制平衡车的车体维持稳定。