基于MATLAB的平衡小车控制系统建模仿真

基于MATLAB的平衡小车控制系统建模仿真

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43030192/article/details/138347896

基于单片机STM32的两轮平衡小车，需要理解并编程各种IO、定时器、通讯等模块，这些虽然琐碎但都是基础。然而，核心在于如何处理数据并控制相关对象，这需要深入理解控制算法。本文将结合自动控制原理的学习，通过MATLAB来模拟平衡车可用的控制算法，以便于进行各种参数调整。

一、模型

整个系统源于实验室里的平衡小车，小车带有奥比中光的深度摄像头和树莓派，但这里只关注平衡控制部分。在MATLAB建模时，去掉了摄像头和树莓派部分，仅保留了平衡小车的基本结构。以下是简化后的模型：

建模步骤

1. 模型简化：平衡小车的分析可以近似倒立摆，为简化起见，将小车分为车身和底盘两部分，忽略轮子的质量。

2. MATLAB建模注意事项：在建模时一定要注意转角和力的正方向，否则在后续PID控制中可能会出现负数的比例系数，甚至导致LQR算法失效。

具体建模步骤

1. 创建Simulink模型（SLX文件）。
2. 添加世界坐标系3个模块。
3. 由于没有方向环，增加一个平移轴以限定平衡车的平动，以及一个转动轴用于车身的摆动。通过Brick Solid模块（矩形块，包括三个平板、电池块和轮轴）和Cylindrical Solid模块（两个电机，轮子也可以用这个模块）搭建底盘和车身。Rigid Transform模块用于坐标变换，方便模型搭建的朝向，但这个坐标变换只针对模型搭建，与计算无关。
4. 为了美观和添加地面摩擦因素，可以添加一个模拟地面的Brick Solid模块和Spatial Contact Force模块。

基本的模块图如下：

车身部分：

在搭建MATLAB模型时，可以通过Ctrl+D键或点击运行按钮到仿真环境查看环境搭建情况，也可以检查所建轴的坐标系是否正确等。如下图：

这样就在MATLAB里面搭建好了仿真环境。

注意事项

• F 和转角的正方向非常重要，平移轴的施加力方向（一般是Z）应该朝右，转动轴的Z轴方向应该是里朝外，保证转角逆时针为正向。这一点很重要，之前就是因为MATLAB建模时这两个方向不对，导致浪费了很多时间排查错误。

通过以上步骤，可以在MATLAB中搭建好平衡小车的仿真模型，为后续的控制算法设计和参数调整提供基础。

注：本文作者提供了MATLAB 2023a版本的模型下载链接，但由于技术原因，此处无法直接提供下载链接。建议读者自行搜索相关资源或参考上述步骤进行模型搭建。