自平衡機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計

3．4 速度PID控制算法
機器人采用經(jīng)典的PID算法進行平衡控制。控制系統(tǒng)采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和前饋控制方法。速度環(huán)路設(shè)計有利于提高電機輸出速度精度。前饋控制主要是為了補償電機轉(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)動軸以及傳動系統(tǒng)的間隙誤差，這些誤差是穩(wěn)定的、可以測量的。當(dāng)電機在正反轉(zhuǎn)變換時，控制系統(tǒng)可以檢測到變換方向，經(jīng)過位置誤差環(huán)節(jié)調(diào)整后把確定的偏差補償量疊加到驅(qū)動器輸出端。這樣電機轉(zhuǎn)動的角度在原理基礎(chǔ)上增加了補償量，機械誤差得以修正。
采用PID控制算法公式如下：

其中，u(k)為當(dāng)前調(diào)節(jié)器輸出量；u(k-1)為上一次調(diào)節(jié)器輸出量；△u(k)為當(dāng)前控制增量；e(k)為當(dāng)前控制誤差量；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。PID控制算法流程如圖7所示。圖中，ε為調(diào)試過程中設(shè)定的誤差值。

4 實 驗
利用該控制方法，對原理樣機進行了多次實驗。實驗中，在機器人正上方水平位置安裝陀螺儀，以采集機器人的傾倒角度數(shù)據(jù)。實際測量角度信息隨時間變化的曲線如圖8所示。通過測得數(shù)據(jù)分析可以看到，機器人大致可以穩(wěn)定在0°附近，最大偏差為±2°。

結(jié) 語
本文設(shè)計了以ATmage128單片機為控制核心，采用紅外測距傳感器監(jiān)控的雙輪自平衡機器人，并搭建實驗平臺進行了控制試驗。實驗結(jié)果表明，該機器人可以通過有效的控制保持在豎直狀態(tài)，并且在一定的角度范圍內(nèi)達(dá)到平衡。