基于四元数的两轮自平衡车控制系统研究

来源：电子测量技术杂志2023年第21期北京时间：

作者：孔德肖，王甲一，李俊萩，张晴晖，强振平

单位：西南林业大学大数据与智能工程学院 昆明 650224

摘要：为了提高两轮自平衡控制系统的实时性和稳定性，提出了一种将四元数与PID相结合的两轮自平衡车控制机制。该机制基于四元数实现姿态角度的解算，基于PID算法实现平衡车的运动控制。该系统使用MPU-6050对平衡车的角速度和角加速度进行测量，使用编码器对电机转动速度进行测量，将这些测量数据作为平衡车控制系统的反馈，完成平衡车的控制，并可通过手机APP进行人机交互。在本文设计的控制算法下，平衡车在自平衡、载高度自平衡和载重自平衡三种场景下均可以保持良好的平衡性。采集了三种场景下平衡车俯仰角数据20 000组，方差分别为0.013、0.084、0.065。在静置状态下与卡尔曼滤波算法和互补滤波算法进行了对比，在5 000组的自平衡数据中平衡车的俯仰角方差为0.000 239，相较于其他两种算法更小。上述实验结果表明了本研究提出的控制机制能够在满足平衡车控制实时性的同时实现平衡车的稳定控制。

关键词：自平衡车;四元数算法;直立环;速度环

基金资助：云南省农业联合专项(202301BD070001-127）、西南林业大学森林生态大数据国家林业和草原局重点实验室重点项目（2022-BDK-05）、云南省教育厅科学研究基金（2023Y0703）项目资助