平衡小车制作串级PID调参及平衡成果展示
1. 适用场景
平衡小车项目是一个极具教育意义和实践价值的嵌入式控制系统开发项目，特别适合以下场景：
学习控制系统理论：该项目完美展示了PID控制算法在实际工程中的应用，特别是串级PID控制结构。通过亲手搭建和调试，可以深入理解比例、积分、微分三个控制环节的作用机制。
机器人技术入门：作为两轮自平衡机器人的基础原型，该项目涵盖了传感器数据采集、电机控制、实时数据处理等机器人核心技术要素。
嵌入式系统开发：项目涉及Arduino编程、传感器接口、电机驱动电路设计等嵌入式开发核心技能，是提升硬件编程能力的绝佳实践。
学术研究和竞赛：该项目可以作为大学生电子设计竞赛、机器人竞赛的基础平台，也可用于控制算法研究的实验平台。
2. 适配系统与环境配置要求
硬件配置要求
核心控制器：
- Arduino Uno/Mega/Nano等主流开发板
- ESP32或STM32等高性能微控制器（推荐）
传感器模块：
- MPU6050六轴陀螺仪加速度计模块
- 可选配超声波传感器用于避障功能
动力系统：
- 直流减速电机（推荐扭矩大于0.5kg·cm）
- L298N或TB6612FNG电机驱动模块
- 18650锂电池组（7.4V-12V）
机械结构：
- 3D打印或激光切割的车体框架
- 车轮直径建议60-80mm
- 整体重量控制在500g以内
软件环境要求
开发环境：
- Arduino IDE 1.8.x或更高版本
- PlatformIO（推荐用于更复杂的项目）
必要库文件：
- MPU6050传感器驱动库
- I2C通信库
- PID控制算法库
系统要求：
- Windows/MacOS/Linux操作系统
- USB串口通信功能
- 至少4GB内存
3. 资源使用教程
基础搭建步骤
第一步：硬件组装 按照机械结构设计图组装车体，确保重心位置合理。将MPU6050传感器安装在车体中心位置，减少振动干扰。
第二步：电路连接 正确连接电机驱动模块与Arduino的PWM输出引脚，确保电机正反转逻辑正确。MPU6050通过I2C接口与控制器连接。
第三步：传感器校准 使用专门的校准程序对MPU6050进行偏移量校准，确保角度测量精度。校准过程需要将传感器放置在水平面上静止数秒。
PID参数调试流程
内环调试（角度环）：
- 首先将Ki和Kd设置为0，逐步增加Kp值
- 观察小车是否能够产生平衡反应
- 当出现轻微振荡时，记录此时的Kp值
外环调试（速度环）：
- 在内环稳定的基础上添加速度环
- 同样从纯比例控制开始调试
- 逐步引入积分和微分环节
串级协调： 调整两个环路的响应速度，确保内环比外环快5-10倍，避免控制冲突。
调试技巧
使用串口绘图工具实时监控角度和电机输出，便于观察控制效果。建议先进行手动调试，再尝试自动整定算法。
4. 常见问题及解决办法
传感器相关问题
MPU6050数据漂移
- 原因：温度变化或振动导致传感器偏移
- 解决：定期进行传感器校准，添加温度补偿算法
角度计算不准确
- 原因：传感器安装位置不当或滤波算法不合适
- 解决：使用互补滤波或卡尔曼滤波提高角度估计精度
控制性能问题
小车剧烈振荡
- 原因：P值过大或D值过小
- 解决：降低P值，增加D值抑制振荡
响应迟钝无法平衡
- 原因：P值过小或电机功率不足
- 解决：增大P值，检查电机驱动电压
稳态误差较大
- 原因：I值过小或存在积分饱和
- 解决：适当增加I值，添加抗积分饱和机制
硬件相关问题
电机不同步
- 原因：电机特性差异或机械安装偏差
- 解决：分别校准两个电机的PID参数，确保机械对称性
电源干扰
- 原因：电机工作时产生电压波动影响传感器
- 解决：添加稳压电路，传感器与电机使用独立电源
通信故障
- 原因：I2C总线受到干扰或接线不良
- 解决：检查接线质量，添加上拉电阻，降低通信速率
软件调试建议
建议采用分阶段调试策略，先确保传感器数据准确，再调试单环PID，最后实现串级控制。使用蓝牙模块或无线串口可以方便地进行远程监控和参数调整。
通过系统性的调试和优化，平衡小车可以达到良好的平衡效果，为进一步的功能扩展（如遥控、自主导航等）奠定坚实基础。
