標(biāo)題: 零基礎(chǔ)制作平衡小車【連載】12---平衡小車控制原理 [打印本頁]
作者: 自動化工程師    時間: 2020-12-17 22:07
標(biāo)題: 零基礎(chǔ)制作平衡小車【連載】12---平衡小車控制原理
前言

截止目前，初代小車已經(jīng)調(diào)試完畢，功能上只能直立，后期還會加上更多功能。

前面關(guān)于pid的內(nèi)容也已經(jīng)更新完畢，如果你是跟著我的教程走的話，那么現(xiàn)在的你最起碼對PID已經(jīng)有所了解了，那么后面我就主要講解一下平衡小車的控制原理。結(jié)合理論和實踐，徹底學(xué)會PID。

一、平衡小車為什么會倒？

說到這，那就不得不復(fù)習(xí)一下高中的物理知識-----受力分析。先看看下面一張圖–單擺，來個受力分析：


受力分析說明：如圖所示,單擺擺長為L,擺球質(zhì)量為m,從平衡位置О運動到某點A(不是最高點）時的速度為V,此時擺線拉力為T,擺角為θ。對擺球所受重力和拉力進行受力分析，此時小球應(yīng)該只受兩個力，一個是重力mg，一個是線的拉力T。把重力進行分解為徑向分力F’( = mgcosθ）和切向分力F( = mgsinθ)：

徑向:T - mgcosθ = mv’/L(徑向合力充當(dāng)物體做圓周運動的向心力)切向:F= mgsinθ (切向合力充當(dāng)物體做簡諧運動的回復(fù)力)

徑向力我們不用管，我們來分析一下切向力。1.假設(shè)空氣沒有阻力由于小球一直受到一個切向力，那么小球會一直做自有震蕩運動2.假設(shè)空氣阻力很小空氣阻力會慢慢消耗切向力，小球會停下來，但是時間會很長3.假設(shè)空氣阻力很大空氣阻力會慢慢消耗切向力，小球也會停下來，但是時間先對與2會縮短

因為在空氣中運動的單擺，由于受到空氣的阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置�？諝獾淖枘崃εc單擺運動速度成正比，方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。


看到這里，我們在聯(lián)想一下平衡小車，看看有什么區(qū)別。下圖是平衡小車傾斜時上方某一點的受力分析：

平衡小車有個現(xiàn)象，當(dāng)你沒有上電時，小車如果機械結(jié)構(gòu)比較好的情況下，在垂直的時候是可以單獨直立不到的。但是只要稍微有點角度，他就會順著這個角度加速倒下。因為在垂直的時候，小車受到的回復(fù)力=mgsinθ，而θ=0，因此回復(fù)力等于0,。此時只有一個mg和地面對小車的支撐力，兩者相抵消，受力平衡，從而直立不到。但是稍微有點角度就會打破這一受力平衡。因為在它偏離平衡位置的時候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而單擺卻相反！因此，平衡小車便會加速偏離垂直位置，直到倒下。如何通過控制使得平衡小車能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置呢？要達到這一目的，只有兩個辦法：一個是改變重力的方向；另一個是增加額外的受力，使得回復(fù)力與位移方向相反才行。顯然能夠做到的只有第二種方法。

二、平衡小車直立原理

怎么增加一個額外力使得回復(fù)力與位移方向相反呢？看下圖：

讓電機旋轉(zhuǎn)，使得小車運動方向和傾倒方向一致。這樣就能產(chǎn)生一個力F1，使得小車保持平衡。

那么問題來了，新手都會遇到一個問題，為啥讓電機旋轉(zhuǎn)，會使得小車保持平衡？知其然，更要知其所以然

解決這一問題只有一個辦法----還是受力分析、在這之前呢，先給大家說一個現(xiàn)象，幫助大家理解。

老司機當(dāng)然還是要開車呀，當(dāng)你坐在車?yán)铮_踩油門加速的時候，你會發(fā)現(xiàn)，你的上半身會向后仰，仿佛有個人坐在你的大腿上想放倒你。不巧的是后面有個座椅支撐著你，座椅對你產(chǎn)生推背感。

這一現(xiàn)象從物理的角度怎么解釋呢？汽車發(fā)動的瞬間你的身體因為慣性會保持靜止?fàn)顟B(tài)，但因為你的下半身腰部以下（坐立時）都直接接觸汽車，因為摩擦力的緣故會伴隨車子向前移動。于是見證奇跡的時刻到了，你下半身隨著車子移動，上半身因為慣性保持不動，結(jié)果就變成了下身拉動上身即出現(xiàn)了你所謂的身體后仰狀態(tài)。類比我們的平衡小車，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生一個力使得小車下半身向傾倒方向加速，這個力會使得上半身產(chǎn)生一個回復(fù)力與位移方向相反，這樣就能保持平衡了。

下圖為受力分析圖，圖中省略一部分受力，比如摩檫力、輪子對上半身的支持力等等，主要是F和-F1COSθ。


受力分析之后就能列出回復(fù)力Y的關(guān)系式了：


又因為在實際運用當(dāng)中，平衡小車擺動角度很小，因此進行線性化簡化。并假設(shè)負(fù)反饋控制是車輪加速度 a 與偏角 θ 成正比，比例為 k。代入公式得出：

如果比例k>g ，（ g是重力加速度）那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了，這樣就能使小車直立了。

為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力。雖然存在著空氣和摩擦力等阻尼力，相對阻尼力比較小。因此需要另外增加控制阻尼力。增加的阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。最終得出下圖公式：

綜上所述可得控制車輪加速度的控制算法：式中 θ 為小車傾角，θ’ 為角速度，k 、k1 均為比例系數(shù)。

這就是小車直立環(huán)的推導(dǎo)過程，乍一看這個公式其實就是PD控制器。

三、速度環(huán)的引入

平衡小車的最高境界是什么？一個字：穩(wěn)怎么穩(wěn)？立在那不動。怎么不動？保持直立并且速度為0（保持直立也有可能是勻速運動）。怎么速度為0？加入速度環(huán)。加入速度環(huán)的原因還有以下兩點：1.配合直立環(huán)，讓小車更加穩(wěn)定2.為后面遠程遙控做基礎(chǔ)

四、串級PID

由于速度環(huán)和直立環(huán)都是控制小車電機的轉(zhuǎn)速，因此兩者需串在一起。又因為平衡小車最主要的是直立，因為速度環(huán)的輸出作為直立環(huán)的輸入，直立環(huán)的輸出最終作用到小車電機上。最終形成下圖框圖的形式：


總結(jié)

重點理解直立原理，受力分析圖。知識點都不難，回憶回憶高中物理就能分析出來了。至此，理論部分已經(jīng)差不多了，把理論部分理解透徹，代碼部分也就好理解了。代碼實現(xiàn)見下一節(jié)。







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