一、自平衡小車是利用車模自身動力使小車保持相對的平衡，是一個動態(tài)平衡的過程。維持車模平衡的動力來自車輪的運動，由兩個直流電機驅(qū)動。對車模的控制可以分解為三個控制任務：

　　1、控制小車平衡：通過控制小車車輪正反轉(zhuǎn)使小車保持直立平衡。

　　2、控制小車速度：通過控制小車的傾角實現(xiàn)小車前后運動和速度的控制，其實最終的仍是通過控制電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。

　　3、控制小車方向：通過控制小車兩個電機之間的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

　　分解為三個控制任務顯得相對簡單一點，但是在最終的控制過程中都歸結(jié)為對一個控制量的控制，這樣三個任務之間就會存在耦合，會相互干擾。三個任務中控制平衡是關鍵，所以對小車的速度和方向控制應該盡量的平滑。

　　二、硬件方案設計

　　小車的硬件分為三個部分，分別是主控部分、小車姿態(tài)獲取部分以及電機驅(qū)動部分。主控板采用目前常用的arduino UNO，同時也可以使用其他arduino通用控制板做主控。

　　小車姿態(tài)獲取可以有很多方案，使用最多的就是通過加速度計和陀螺儀獲取小車姿態(tài)。理論上只需要兩軸加速度計（垂直方向Z軸和沿小車運動方向X軸）和一個單軸陀螺儀（沿小車車輪軸方向，獲取繞小車輪軸的角速度）。陀螺儀通過角度積分可以獲得小車角度，但是經(jīng)過積分會產(chǎn)生累計誤差，并且會越來越大，X軸與Z軸加速度計的值也可以算出小車的傾角，但是加速度計的瞬時誤差較大，所以結(jié)合陀螺儀和加速度計兩者獲得的角度做數(shù)據(jù)融合可得真實角度。我們使用一個集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀的集成芯片MPU6050，這樣極大的簡化了我們的傳感器電路。

　　小車通過兩個直流電機驅(qū)動車輪運動來獲得動力，直流電機的驅(qū)動電路設計關系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因為電機反轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生反向電動勢會干擾到電源系統(tǒng)內(nèi)其他設備的運行。我們選用L298P做電機驅(qū)動器，它內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可同時驅(qū)動兩個直流電機，輸出電流可達2.5A。

　　軟件設計之小車姿態(tài)獲取---卡爾曼濾波

　　在開始之前應該對MPU6050進行設置，主要設置角速度以及加速度的量程，加速度量程有±2g、±4g±8g與±16g，角速度量程分別為±250、±500、±1000與±2000°/sec （dps），可準確的追蹤快速動作與慢速動作。在使用之前先設置好量程以便后面的換算。我們小車輪軸與傳感器Y軸平行，即繞Y軸旋轉(zhuǎn)則有：

　　那豎直方向弧度計算公式為： angle = atan2（x， z） //結(jié)果以弧度表示并介于 -pi 到 pi 之間（不包括 -pi）

　　如果要換算成具體角度： angle = atan2（x， z） *（180/3.14）

　　陀螺儀獲取角速度積分得到角度公式為：anglen = anglen-1 + gyronn*dt ，式中anglen 為第N次采樣的角度值，anglen-1 為第N-1次的角度值，gyronn為兩次采樣值之間的角速度值，dt為兩次采樣之間的時間。然后將換算后的兩個角度數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波融合，可獲得小車真實角度，也可以采用更簡單的互補濾波算法。

　　注意加速度計所得角度與陀螺儀積分角度的方向。

　　四、軟件設計之小車姿態(tài)調(diào)整---PID參數(shù)整定

　　小車的姿態(tài)獲取最終結(jié)果是一個角度，就是小車偏離平衡位置的傾角。通過以小車的這個傾角為變量進行PID控制，輸出用于控制車輪轉(zhuǎn)速的PWM值，那么相當于小車只有一個角度反饋環(huán)路，雖然能使小車平衡，但是增加了控制難度，所以通常會使用帶測速的電機，再加入一個小車速度反饋環(huán)路，這樣使得小車更容易控制。