单片机控制的自平衡小车设计探讨

最近有很多网友在问，关于用单片机控制的自平衡小车制作的问题，其实这在飞思卡尔智能车比赛的时候，清华的卓晴老师的那篇文档里面说的很清楚，很多没参加比赛的人不知道或者不重视这个文档，我用自己的理解来写一个总结希望对大家有帮助，大神勿拍砖。

首先确定一下我们的目标是什么？我们得让车站起来，小车整个身体只有电机可以控制轮子，自然对小车的控制就落在了对单片机程序对电机的控制上。很多参加比赛的朋友由于车模是组委会发的，没去想过什么样的电机是合适的？ 自然启动会快，反映越快的直流电机最合适。对于直流电机的控制调速，大家都知道最常用的是脉宽调制即PWM方式，这时候就得选好电机驱动芯片了，跟你的电机匹配，电流要扛的住。再一个，把小车想成一个骑独轮车的杂技演员，维持平衡，你的保证能前后转吧，所以驱动得做成H桥型的，其电路图可以在http://www.51hei.com找到,总结一下我们第一个目标就是做好驱动电路，可以实现对电机的正反两个方向的大概调速控制（注意是大概，无反馈调节，如果想试试PID也可以先做一下速度反馈调节）。

第二个问题，稍微有点控制思想的就应该明白，小车是自平衡，自然是自己在控制，那它控制的依据是什么？根据什么去控制？对于两轮小车当它倒下去的时候，只有一个维度的两个量，那就是和直立位置的角度值和在倒下去的时候的快慢值（角速度），其实他俩是一个量，因为对角速度积分就是角度值。角速度只是反映了倒下去的快慢。即变化量。好比你拿一根筷子直立在手指上，你看见它要倒下去的时候肯定手会跟着移动，你一方面看到的是筷子倒下去的角度，另一个是筷子倒的时候的快慢，角度大速度快你自然移动的快，幅度也大，角度小速度慢，你自然移动的慢幅度也小。以上纯脑袋想的，从科学的严谨性来说，还是去看卓老大的文档，从建立数学模型，到自控原理的计算分析最后得出来。所以第二个目标出来了，我们要去实时测出小车偏离直立位置的角度，这个其实是自平衡小车的第一个难点。

我们说测角度一般使用加速度计就可以了，加速度计是分为模拟的和数字的两种，都是可以用的，只是在实际情况中，加速度计测量的角度是不准确的，因为在小车运动过程中存在震动加速度，这会使输出值不准确，不能真实反映小车的偏转角度。这是器件本身的问题，有些人说用简单的数字滤波（中值、均值等），这些滤波是滤除的干扰信号，这本身的错误信号怎么虑出？再来考虑另一个器件 陀螺仪，我们知道陀螺仪是测量角速度的，但是角速度转换为角度是需要一个积分过程，假如在输入时有一个极小的误差，那么随着积分这个误差将会越来越大，最后得出的角度自然也是不准确的。（器件的使用是最基本的，希望大家能把这两个传感器的使用先搞明白，明白角度具体是怎么计算出来的？）这个时候才有我们常说的卡尔曼滤波、互补滤波的登场，很多人在制作过程中总是觉得卡尔曼或者互补滤波很高端的东西，视线全被它们蒙蔽了，实际上它们最终的目的任然是得到最准确的角度偏离值。对于这一目标，传感器的性能、电路设计同样是很重要的。至于卡尔曼滤波和互补滤波的优劣不在这讨论，我们只说说用的较多的卡尔曼滤波，卡尔曼的前世今生大家在网上搜一下，千篇一律，没一个说到点上了的。其实作为应用我们只需知道卡尔曼输入的两个量，一个是测量值，一个是预测值，程序都是成型的，重点还是在参数的调试上。整个算法中影响输出的就是Kg的值，可以简单的理解为一种加权行为，相信谁更多一点而已。

代码如下：说明：简化版卡尔曼滤波单片机c语言程序

volatile float QingJiao = 0; //最终准确角度输出变量定义

volatile float Gyro_Data = 0; //陀螺仪

float Q =1,R =3900; //调整卡尔曼的滞后 3900

static float RealData = 0,RealData_P =10000;

float NowData = 0,NowData_P =0 ;

float Kg = 0,gyroscope_rate = 0,gyroscope_rat = 0,accelerometer_angle;

volatile float gyroscope_angle=0 ; //用卡尔曼滤波时不用此变量

int Gyro1_zero=0;

void kalman_update(void)

{

if(zeroflag>1000) //与开机自检有关，没用到的可以删去

{ zeroflag=1001; //确保zeroflag不会溢出

//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Acc_z = Acc_z - 28850; //加速度计采集的AD值减去直立时的输出值

Gyro1_zero=zerosub/1000; //陀螺仪开机自检累加1000次后取均值 得到陀螺仪零偏值

Gyro1 =