如何通过一个陀螺仪传感器配合PID算法实现两轮车的平衡

陀螺仪的作用

两轮自平衡机器人控制系统除了需要实时的倾角信号，还要用到角速度以给出控制量。理论上可以对加速度计测得的倾角求导得到角速度，但实际上这样求得的结果远远低于陀螺仪测量的精度，陀螺仪具有动态性能好的优点。

（1）陀螺仪的直接输出值是相对灵敏轴的角速率，角速率对时间积分即可得到围绕灵敏轴旋转过的角度值。由于系统采用微控制器循环采样程序获得陀螺仪角速率信息，即每隔一段很短的时间采样一次，所以采用累加的方法实现积分的功能来计算角度值。

（2）陀螺仪是用来测量角速度信号的，通过对角速度积分，能得到角度值。但由于温度变化、摩擦力、不稳定力矩等因素，陀螺仪会产生漂移误差。而无论多么小的常值漂移通过积分都会得到无限大的角度误差。因而不能单独使用陀螺仪作为自平衡小车的角度传感器。

2.倾角传感器的作用

（1）倾角传感器中加速度计可能测量动态和静态线性加速度。静态加速度的一个典型例子就是重力加速度，用加速度计数直接测量物体静态重力加速度可以确定倾斜角度。

加速度传感器静止时，加速传感器仅仅输出作用在加速度灵敏轴上的重力加速度值，即重力加速度的分量值。根据各轴上的重力加速度的分量值可以算出物体垂直和水平方向上的倾斜角度。

（2）加速度计动态响应慢，不适应跟踪动态角度运动；如果期望快速地响应，又会引起较大的噪声。再加上其测量范围的限制，使得单独应用加速度计检测车体倾角并不合适，需要与其它传感器共同使用。

3.原理

其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。

重要的加点为：

A、我们小车要模型实质上单摆倒立模型，要平衡必须要有指向平衡点的回复力，平衡车同样需要，只不过这个里需要小车的电机加速来维持平衡；

B、要平衡，小车的模型与电机的转速转矩和轮子的大小有关系，要么轮子大些，要么电机转速快些，同时，姿态传感器最好放在小车的质心处；

C、具体细节而言，小车的电机运动过程分为加速过程和平衡过程，小车平衡必须在加速阶段完成；首先需要进行姿态检测，了解姿态信息，然后通过PD调接来控制电机的转速来维持平衡；

(2)、姿态检测是很重要的一环，需要加速度计（比较滞后）和陀螺仪（零点漂移）来完成，上述参考资料里面一种融合方案，当然还有卡尔曼滤波方案，互补滤波方案，三种，也许还有其他的。由于加速度计和陀螺仪各有缺点，所以需要进行数据融合，我选择的是互补滤波，也许大多数都选择这个方案，能够满足平衡要求并且消耗时间较少；匠人手记一书中，有介绍一阶滤波器的深入研究，可以参考学习下；

(3)、调试阶段，首先必须坚持的陀螺仪零点偏移，以及加速度计的零点偏角；

　其次，融合后的波形需要，观察防止过冲以及过于滞后；

　再其次，电机运行时，要测试出每个轮子的死区；

最后，在调整参数时，要先调整P参数，当感觉轮子来回摆动时，可适当增加微分D进行微调，P大电机来回摆动厉害，D过大小车会震动。

第一步完成，站起来了！！但是不能平衡。

51两轮平衡小车程序

用英文表达是：

51 two wheels balanced car program

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