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直立平衡车的制作

两个轮子的直立小车怎么在跑道上匀速跑？

这是一个关于“控制”的故事！！！“控制”的一个基本概念：PID控制执行机构目标传感器期望u反馈c-偏差err输出out控制要让直立小车在赛道上跑起来，需要对小车作三个方面的控制，分别为直立控制、速度控制和方向控制。（注意：这三个方面的控制都是类似的，都是基于上面的结构框图，只不过它们的期望、传感器和控制目标不一样而已）

小车的直立控制两轴陀螺仪+三轴加速计模块主控制板小车的直立控制需要用到陀螺仪和加速度计两种传感器，它俩儿都集成在了一个模块上（如右图所示）。加速度计是测量角度的传感器，有X、Y、Z三个轴，这里我们只用到Z轴。其输出值的大小随着模块倾角变化而变化，当模块不动时候，输出值保持，即一个输出值代表模块的一个角度。陀螺仪是测量角速度的传感器，输出值的大小与模块角度变化的剧烈程度有关，模块角度变化越剧烈，模块的角速度越大，陀螺仪的输出值也越大。当模块不动时候，即没有角速度，其输出值为0。陀螺仪和加速度计两个传感器采集回来的都是电压值，所以需要经过单片机的AD转换才能得到我们想要的角度和角速度（模块与单片机的连接如右图所示）

小车的直立控制有了小车直立方向上的角度值和角速度值后，就可以说说怎么让小车平衡地立起来了！！！给定一个小车的角度值作为期望u(注意：此角度值为小车处于直立平衡位置时加速度计采集回来的角度值)与加速计实时采集回来的小车当前的直立角度值c作比较，得到期望值与实际值的偏差err。同时，小车上的陀螺仪采集到一个小车直立方向的角速度值angular。应用PID控制中的P(比例)D（微分）控制，以角度值偏差err作为P项的输入，以角速度值angular作为D项的输入（注：因为角度的微分就是角速度，所以用角速度值angular作为微分项的输入），从而得到以下小车直立控制的关系式：其中：P为比例项系数，D为微分项系数

小车的速度控制检测小车当前实际运行速度的传感器为编码器（如右上角图片所示）。该编码器为512线编码器，即编码器轴每转动一圈，就会产生512个脉冲。编码器和小车轮子通过齿轮咬合，即车轮转动编码器轴也跟着转动，同时产生脉冲。车轮转动得越快，产生的脉冲也就越多。通过主控板上的单片机捕获编码器产生的脉冲然后计算单位时间内编码器产生的脉冲数就可以测得小车当前的运行速度v。

小车的速度控制我们要求直立小车要在跑道上匀速运动，即我们期望小车的速度是恒定的Ve。小车的速度控制实际上就是控制小车当前的实际速度接近或者达到我们预先设定的期望速度。这里，我们采用PID控制策略中的P(比例)I（积分）控制来控制小车的速度。给定一个小车的期望速度Ve，同时由编码器测得小车当前的实际速度V,小车的期望速度与实际速度作一个比较，得到速度偏差err。其中，速度偏差err作为PI控制中P项的输入。PID控制策略中的积分项（即I项）实际上就是偏差的累加再乘以一个积分系数I。设integration为速度偏差err的累积结果,则速度偏差累积结果integration作为PI控制中I项的输入。得到以下速度PI控制的公式：其中：P为比例项系数，I为积分项系数

小车的方向控制小车的方向控制需要用到两个传感器。一个是陀螺仪+加速计模块上的陀螺仪（注：此模块上一共有两个陀螺仪，它们相互垂直，一个负责测量模块竖直方向上的角速度，另一个负责测量模块水平方向上的角速度），负责测量小车转向的时候车身转动的角速度。另一个是线性CCD模块TSL1401CL。TSL1401CL线性传感器由128×1列光电二极管，内部集成了电荷放大器电路，以及像素数据保持功能，可同时集成启动和停止所有像素位。该阵列由128个像素构成，每个像素点都有一个3,524.3平方微米的光敏区域，读取AO口的电压就可以完成数据采集。

小车的方向控制我们对小车进行方向控制，就是希望小车沿着跑道的中间线跑，所以跑道的中线值mid_line就是我们对小车进行方向控制的期望。通过线性CCD传感器采集回来的数据可以计算出小车当前实际的方向值direct_value。跑道的中线值与小车当前实际的方向值作比较，可以算出当前小车偏离跑道中线多少位置，即方向偏差err。在这里，小车的方向控制采用PID控制策略中P(比例)D(微分)控制。方向偏差err作为PD控制中P项的输入，陀螺仪检测到的小车转动方向上的角速度angular作为PD控制中的D项的输入。（注：角度的微分就是角速度，小车偏离跑道中线多少位置可以理解为小车偏离跑道中线多少角度）。由此可以得到小车的方向控制公式：其中：P为比例项系数，D为微分项系数

对小车电机的总输出前面分析了要想让直立小车在跑道上匀速地跑需要对小车进行三个方面的控制，这三个方面的控制对应有三个输出，分别为直