基于STM32的兩輪自平衡遙控小車設(shè)計

張建強(qiáng)　楊標(biāo)　劉毅　徐建

【摘 要】兩輪自平衡小車作為一種新型的交通工具，其駕駛的方式新穎，深受年輕一族喜愛，且由于是采用的電力驅(qū)動，屬于清潔能源，對于緩解日益嚴(yán)重的大氣污染、能源危機(jī)和交通擁堵問題，是一種比較好的解決方式，同時由于兩輪自平衡小車的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，給控制的算法提出了很大的挑戰(zhàn)，同時由于這個原因平衡車也成為了一種檢驗控制算法的良好平臺。本平衡車使用STM32單片機(jī)作為控制核心，通過電機(jī)編碼器與陀螺儀實時獲得小車速度與姿態(tài)數(shù)據(jù)，運用PID控制算法使得小車能夠保持平衡。

【關(guān)鍵詞】兩輪平衡；STM32單片機(jī)；PID

【Abstract】The two wheeled vehicle is a new type of vehicle，driving the novel，by young people love，and because it is the driving power，a kind of clean energy，to alleviate the increasingly serious air pollution，energy crisis and the problem of traffic congestion，is a relatively good solution at the same time，due to the structure of self balancing the car two rounds of instability，is a great challenge to the control algorithm，and for this reason the balance of the car has become a good platform to test the control algorithm.Using STM32 microcontroller as control core，real-time access to vehicle speed and attitude data through the motor encoder and gyroscope using the PID control algorithm makes the car to maintain balance.

【Key words】Two wheel balancing；STM32 single chip microcomputer；PID

0 引言

隨著我國工業(yè)化的不斷的推進(jìn)，國民生產(chǎn)力不斷提升，同時自動化控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，由于生活節(jié)奏也不斷的加快，人們急需一種能夠在小區(qū)，家中，室內(nèi)場館行駛的小型代步工具。同時又由于化石燃料大量消耗導(dǎo)致是有緊缺的今天，人們也開始使用較為清潔的電能。因此在這種情況下，兩輪自平衡小車由于它時尚、小巧的外形，新穎的駕駛方式，全新的騎行體驗，受到青年的歡迎。兩輪平衡車具有較大的市場前景，因此研究兩輪自平衡小車也就有了它的必要性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)包括了電機(jī)驅(qū)動電路、電機(jī)編碼器模塊、供電模塊、陀螺儀模塊、單片機(jī)處理控制模塊等復(fù)雜模塊。系統(tǒng)總體框圖如下圖1所示。

小車整體使用STM32F103ZET6作為控制核心，使用MPU6050六軸陀螺儀作為姿態(tài)獲取傳感器，由于控制使用的是閉環(huán)算法，所以使用高精度磁編碼器作為小車兩輪速度采取傳感器，該編碼器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。電機(jī)驅(qū)動選擇是使用東芝半導(dǎo)體生產(chǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動TN6612FNG，相對于傳統(tǒng)的L298N電機(jī)驅(qū)動，TB6612FNG具有外圍電路簡單，且支持的PWM調(diào)速頻率更高，同時也有利于減小系統(tǒng)的尺寸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

兩輪平衡車采用MPU-6050來獲取小車實時姿態(tài)信息，將信息上傳給單片機(jī)，由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過超聲波模塊可以讓小車與障礙物一直保持在一定的距離，以實現(xiàn)超聲波跟隨功能。通過藍(lán)牙接受遙控小車的運動。

2.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計

本兩輪平衡車采用控制最小系統(tǒng)控制芯片是使用的STM32F103ZET6單片機(jī)，芯片的所有引腳全部引出，有利于其他功能的擴(kuò)展，下載程序采用了UART與SW調(diào)試接口，便于程序的調(diào)試。并且在制作的過程中預(yù)留了藍(lán)牙模塊接口與超聲波接口，既方便安裝固定，也增加系統(tǒng)的重心的穩(wěn)定性，最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電機(jī)編碼器和MPU-6050所傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)得到的結(jié)果控制電機(jī)做出相應(yīng)的動作。

2.2 供電模塊的設(shè)計

系統(tǒng)使用12V鋰電池供電，工作時的電流能夠滿足直流減速電機(jī)電流需求，由于單片機(jī)等其他的器件采用5V供電而且功耗較小，所以使用LM2596可調(diào)降壓模塊將12V電壓轉(zhuǎn)化為5V，供單片機(jī)、MPU-6050、藍(lán)牙模塊等傳感器使用。以保證系統(tǒng)的正常運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計流程

軟件設(shè)計主要包含：電機(jī)編碼器與陀螺儀信號的采集與處理，調(diào)節(jié)PWM輸出改變電機(jī)狀態(tài)，使得小車達(dá)到平衡、行走、轉(zhuǎn)彎等功能。軟件主要是傾角PID與速度PID。軟件設(shè)計流程如圖2所示。

首先是各個傳感器的初始化，初始化完成后，通過IIC通信協(xié)議從MPU-6050讀取姿態(tài)數(shù)據(jù)，以10ms為一個周期讀取MPU-6050角速度寄存器中的值，同時對讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)濾波，然后進(jìn)一步進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算，從而得到小車實時的姿態(tài)信息。對于電機(jī)編碼器得到的脈沖使用STM32的輸入捕獲模式，捕獲周期為60ms，從而得到電機(jī)速度。通過PI，PD算法結(jié)合，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而達(dá)到讓小車原地平衡、行走平衡的目的。并且當(dāng)小車傾斜的角度大于30度時，由于角度太大小車難以平衡，這時會讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

3.2 互補(bǔ)濾波算法

互補(bǔ)濾波就是通過不同的濾波器（高通或低通），然后相加得到整個頻帶的信號。對于陀螺儀互補(bǔ)濾波就是在短時間內(nèi)采用陀螺儀得到的角度認(rèn)為最準(zhǔn)確，利用定時對加速度獲得的角度進(jìn)行取平均值來校正陀螺儀的得到的角度。簡言之，短時間內(nèi)角度使用陀螺儀；長時間用加速度計比較準(zhǔn)確，隨著時間的增多加大加速得到的數(shù)據(jù)的比重，這就是對于陀螺儀的互補(bǔ)濾波了。

3.3 PID控制算法

在本小車中控制PID控制算法分為角度環(huán)（PD）和速度環(huán)（PI）。

程序設(shè)計中，控制PWM輸出的角度環(huán)的方程為：

OUT_PWM1=Angle_P×Angle_Q+Angle_D×Angle_S

式中的OUT_PWM1為PD控制計算得到的控制PWM，Angle_Q為反饋得到的角度值，Angle_S為反饋角速度。Angle_P與Angle_D分別為比例系數(shù)與微分系數(shù)。

程序設(shè)計中，控制PWM輸出的速度環(huán)的方程為：

OUT_PWM2=Speed_P×Speed_S+Speed_I×Speed_E

式中的OUT_PWM2為PI控制計算得到的控制PWM，Speed_S為電機(jī)速度，Speed_E為反饋速度誤差的累積值。Speed_P與Speed_I分別為比例系數(shù)與積分系數(shù)。

最后通過PI與PD計算得到的便是電機(jī)需要的PWM值，其方程為：

OUT_PWM=OUT_PWM1+OU_PWM2

3.4 PID參數(shù)調(diào)整

在讓I，D輸出為0的情況下，去調(diào)節(jié)P，選擇適當(dāng)?shù)腜值讓車體基本保持平衡，保證沒有較大的晃動或。然后調(diào)整D，適當(dāng)?shù)腄值，合適的D值能夠增加小車的穩(wěn)定性，D可以很小，如果D值較大會導(dǎo)致小車劇烈的抖動導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動燒毀。I參數(shù)的調(diào)節(jié)相當(dāng)于是對P值很小誤差下的一個補(bǔ)償，若I值過大，補(bǔ)償過多會導(dǎo)致小車前后大幅度晃動，導(dǎo)致小車無法維持平衡。

4 結(jié)語

系統(tǒng)使用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制芯片，使用MPU-6050為姿態(tài)獲取傳感器（IIC通信協(xié)議），通過電機(jī)編碼器獲得小車速度（STM32輸入捕獲模式），通過單片機(jī)使用PID算法得到PWM值從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，使得小車達(dá)到平衡，并且使用藍(lán)牙模塊使得單片機(jī)能夠與手機(jī)通信，使用手機(jī)可以控制小車運動。在姿態(tài)獲取濾波方面沒有采用卡爾曼濾波而是采用較為簡單的互補(bǔ)濾波。由于使用了PID算法，擁有速度反饋，能夠使小車在一定的干擾下能夠保持平衡。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]