浅谈两轮平衡车的控制原理

前言：在IT行业摸爬滚打了好几年，好不容易从学生熬成了社会人士，通过自己的不断努力又从社会人士熬成了学生。这几年的修行，同道博友给了我很多的帮助，很早之前就有写博客的想法，想借自己绵薄之力来回馈一下默默奋斗的你，但是一直拖着，最近闲暇无事，才真正提笔，愿能够对你有用。

上周末去苏州玩儿，同行小伙伴的侄女骑着一辆小米平衡车，运用自如好拉风的感觉。此时我的职业病又犯了，思考了一下原理，觉得不是很难，就是一个陀螺仪姿态加几个PID的事情（专业毒已病入膏肓）。平衡车的制作冲动从这一刻迸发，回家之后事不宜迟直接着手去做，这都要归功于闲暇的暑期。

通过网上查资料发现，两轮平衡车的资料并不多，大多都是飞思卡尔比赛的直立小车资料，但是两者有一定的联系，由于飞思卡尔资助的原因，限制了器件的选型等，而我们业余的选择是广泛的。我选择了当前主流的STM32F103为主控，成熟的MPU6050陀螺仪加速度计，车架让一位同事帮忙组装，很快平衡车成型，心情有点激动，忍不住要上一张图。

细心的同事帮我加了配重，非常感谢我的热心朋友。（PS：珍惜身边的朋友，他们都是缔造你生命意义的人！）哈哈，这个小车看上去还是有模有样。加配重的原因是让车架的平很轴接近电机轴，也就是车架在水平时，车前后的质量分布基本一致。说的有点抽象，换句话说就是找车架的平衡位置或者平衡角度。

好了，废话说了一大堆，接下来进入正题。

首先从控制板说起，借用以前公司的一个控制板，主要用到的模块有降压模块，PWM与编码器接口，IIC接口，SPI接口TFT屏幕。由于主控板没有集成MPU6050，用了一个外部的小模块，使用IIC接口。电池使用14.8V锂电池，电机驱动是TI的LMD18200，与L298比较相似，但性能更彪悍一些。电机是带正交编码器的减速电机。基本硬件就是这些了，其实这种配置已经算得上豪华配置了，但是都是借用的没有花钱（硬件烧钱，入坑谨慎）。

其实吾理小子（本人）是做硬件的，在这里的硬件都是比较基本的，而且市面上很容易买到，就不多啰嗦了。

下面开始说控制思路，我觉得开始做之前一定要考虑清楚控制思路，否则就是盲目上路，事倍功半。平衡车实际会涉及到三个PID环，分别是直立环（角度环）、速度环、转向环。其实一般都叫直立环，但是我更愿意把这个理解为角度环，因为这样理解的话更容易和反馈量结合起来。

逐个介绍每个环的作用：

直立环，也就是角度环，通过陀螺仪得到车架的姿态角度，通过当前角度与目标角度比对的差值进行一定的计算控制轮子，以保证车架维持在目标角度附近。总结一句话来说就是直立环保证车架站起来并且稳住；

速度环，速度环是直立环的辅助调节，直立环能够保证车架直立，但是不能保证车直立的速度为零，速度环就可以保证车架保持直立的同时控制此时的速度；

转向环，控制车架的方向。与直立环用到的反馈量不一样。

综合起来的效果就是保证车架直立的同时车的行走速度与方向可控。这就是三个环的综合效果，其中直立环是核心，其它两个是辅助。

其实平衡车的PID调试过程中，还是和传统的位置式与增量式PID有一定的区别，而且区别是致命的，不容小觑！那么具体区别在哪里呢，继续看下文。

在讲解具体的编程之前，首先说一下我们的老大哥——陀螺仪MPU6050。为什么说他是老大哥，因为整个姿态的调节反馈量都来自于他。我不想夸它是第一款集成的6轴陀螺仪与加速度计，也不想夸集成了DMP库，更不想夸它价格便宜简单易用……我想说说陀螺仪与加速度计的测量的物理量。说到这里，可能有人会嘲笑小编好傻，陀螺仪不就是测姿态角的吗还用说！但是，小编刚开始用陀螺仪的时候也是这么认为的，而且把别人的代码拿过来移植到自己的工程中能正常跑，就很骄傲，实际上没有那么简单，你不相信的话，有一天你也会回头来重新认识一次老大哥，相信吾理小子。

MPU6050集成了陀螺仪与加速度计，陀螺仪测量的是世界坐标系中各轴的角速度，加速度计测量是世界坐标系中各轴的加速度，这个加速度是加速度的总和包括重力加速度。那么角度是怎么测量的呢？角度是通过对角速度的积分得到的。

明白了这些的话，接下来对陀螺仪的使用会更加如鱼得水。

吾理小子移植正点原子的MPU6050程序，使用DMP库得到姿态角，数据还是比较好的。通过初始化PWM波，车子完全在吾理小子的控制之下了。至此，前期的准备工作已经全部就绪，接下来就是疯狂码代码、看现象、改数据、看现象如此反复，直到达到自己想要的结果。

吾理小子的第一篇博客也要画上一个句号了，天上一脚、地上一脚毫无逻辑的写了一上午，还请各位道友不喜勿喷，下一篇接着说具体编程，并且附上相关代码，各位小伙伴期待吧！