VertiBOT调查了解传感器融合使用卡尔曼滤波算法和互补和PID控制在一个不稳定的系统是一个教育项目。
VertiBOT平台是一个倒立摆，由两个微小电机，结构底部位于保持平衡。已连接的电池本体的顶部，而电子板位于旋转轴附近的
反馈信号提供一个加速度计和陀螺仪组成的IMU 6DOF。一个微控制器ATMEGA328执行主循环每10毫秒。用于调整通过蓝牙无线通信在图形用户界面软件，并检查信号响应。
简介。问题分析
VertiBOT是一个员工的教育项目，开展了以拥有一支具有实际经验的使用和处理的卡尔曼滤波器，互补滤波器和PID控制器设置。
此平台是一个“倒立摆”，即摆锤的质量中心，是高于其轴线旋转或枢转。这种系统本质上是不稳定的，必须不断地从外部平衡保持平衡（不稳定）的位置。这是通过在其枢转轴线（具有单自由度的系统）的一部分由系统测量的反馈施加转矩。摆锤上的结余产生的净扭矩的初始扰动。最经典的例子来理解这个问题的物理是你的手指在另一端尽力维持扫帚，翻转，平衡主体。倒立摆是在动态的经典问题之一，他在控制理论的书籍有很多引用，给众多的策略来处理[1]。
一个单一的倒立摆的运动方程，不考虑任何摩擦或运动的限制和假设的身体作为一个刚性杆最好是在它的末端集中质量和其旋转轴固定在空间，非常相似，经典的钟摆。
其中O表示的摆角加速度，g是重力加速度，l为摆杆的长度，和Θ是从平衡位置上测量的角。这是很容易检查摆锤加快速度相差的平衡位置，加速度为摆锤的长度成反比。由此我们推断出一个重要的建设性规格：高摆下降速度比低。
这个方程，在第一近似虽然非常有用，不给我们足够的信息来尝试我们摆控制的动态建模。为了更充分地发展的问题，有必要去到拉格朗日建模 的问题。在现代控制系统中的任何书籍或刊物的发展，这些方程可以发现，标题下的“ 倒立摆安装在手推车上 “。[2]
操作。
受电源驱动器执行器VertiBOT两个直流电机。这些引擎负责在车轮上，在接近0°的角位移，以保持结构，用于产生必要的转矩，这是我们的口号或参考信号（Θref= 90°）。
如果你想保持一个不稳定的平衡是非常重要的，要知道，具有良好的精度和快速，实际的结构倾向（反馈信号）。参考信号和反馈信号之间的差异是需要采取相应的行动，“纠正”的干扰的误差幅度。
由二重奏：陀螺仪+加速度测量物理量的变化。在电话?.Integrando这项措施时的角速度陀螺仪提供了一个很好的衡量，我们可以得到在转角值。但是，此操作将集成系统本身的噪声，积聚在几次迭代一个大的漂移。加速度计测量加速度，静态和动态两种。以分离的两个组成部分，我们被迫去到一个低通滤波器和一个高通滤波器（动态加速度）（带回的静态及部件：重力）。一旦分开了，一个简单的三角函数的操作，我们计算的斜率[3]。然而，此类型的（平均值）的过滤器通过在响应中引入了一个显着的延迟，导致系统不稳定。因此，我们必须在时间和缓慢和嘈杂的输入我们的系统的加速度计的漂移与不断增长的一个陀螺仪。该解决方案是“合并” （过滤器）两个读数。这将打开一个有趣的领域的研究与实验，为此选择不同的策略：单一传感器法，卡尔曼滤波器，互补滤波器... [4]
一旦我们知道错误的信号，我们需要定义一个控制器 ，作用在致动器以这样的方式，经过几次迭代最小化错误。一个快速进军控制理论有助于我们找到了各种高度复杂的控制器。在这第一次的方法，我们已经选择了某知名工作室PRA的PID控制器。
一个基本的PID控制器具有一个输入和一个输出（SISO）。条目是我们的上段中，输出将骗的rpm电机必须旋转补偿干扰产生的误差信号。新的形势是美联储由一套传感器。
该控制器的输出是由三个组成部分的总和：响应正比的错误，一个动作往往衍生取消的稳态误差和行动，期待我们的系统响应的集成PID。的详细讨论，请参阅[5]。
可以通过不同的启发式，在一系列连续的近似应趋向于稳定的解决方案，为系统进行调谐或适当的计算常数Kp，Ki和Kd的。这一直是一个困难和繁琐的任务，我仍然不完全满意。的过程中方便我添加三个电位变化实时操作中的常数的值。
硬件
VertiBOT是一个printbot的，即其结构已建成使用3D打印机。与往常一样，你可以找到Thingiverse件的文件。
的结构被分为两半，通过螺钉接合。这个系统允许采用不同的高度，看到各种系统如何响应。电池位于本体上部。下部包含电机的固定点的（Micrometal Pololu 50:1）和主电路板的电子装置，它必须尽可能接近摆锤的旋转轴与传感器安装提供支持。
的电子元件包括：
软件
为了得到一个图形显示 在此平台中的不同的信号和响应，提供了一种图形界面，由于无线通信，使我们能够实时可视化的当前值驱动程序constates，的读数传感器，参考信号和系统输出。本申请是基于并继承Brett博勒加德的工作[6]
视频。结束语和未来前景。
然后留下一个小的视频展示VertiBOT平台，试图保持平衡。今天的发动机是不是足够快，以保持结构稳定后干扰太大，没有离合器，它似乎是能够贴近其小幅振荡的平衡点。分别用两种不同的三倍PID值：一个保守的，当我们的参考点附近，一个非常积极的，当我们远离平衡点。支持或保持在水平的机器人时，也就是说，一切都失去了，不再作用于电机。这个解决方案是在测试过程中很方便的操作。
此刻我们正在对2.0版除了将一些更快的引擎，车轮上的运动编码器。在这种方式中，由传感器的反馈信号，在一个更??精确的补充。
的Git代码： https://github.com/astromaf/VertiBOT
3D零件在Thigiverse： http://www.thingiverse.com/thing:83091
（*）这个项目，而不是假装的教程：它是唯一一个项目review.You可以使这个项目使用的任何其他项目。欢迎免费试用新的组件，不同的代码或算法。
可能 “物料清单”：
参考文献：
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