基于STM32的智能平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭宗昊 張奔 霍建振

臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 山東臨沂 276000

近年來(lái)，伴隨我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前各種智能機(jī)器化設(shè)備也在不斷地被應(yīng)用到人們的日常生活之中去。而智能平衡車(chē)作為機(jī)器智能化進(jìn)入民眾日常生活的一個(gè)重要表現(xiàn)，這種平衡車(chē)以兩輪容易操作且體積較小而受到人們的廣泛喜愛(ài)。因此，文章結(jié)合了有關(guān)智能機(jī)器設(shè)備的具體設(shè)計(jì)原理，對(duì)自主識(shí)別道路兩輪平衡車(chē)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了控制系統(tǒng)方面的研究，對(duì)平衡車(chē)的硬件電路等方面進(jìn)行了一個(gè)更為詳細(xì)全面的開(kāi)發(fā)[1]。

1 關(guān)于智能平衡車(chē)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)類(lèi)型的智能平衡車(chē)都主要是由微控制器、穩(wěn)壓電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速模塊賽道信息采集和人機(jī)交互等各種模塊組成。平衡車(chē)的單片機(jī)在對(duì)某些算法進(jìn)行處理之后能夠輸出有關(guān)平衡車(chē)兩輪電機(jī)的pwm信號(hào)，這樣才能夠真正的完成平衡車(chē)自身的系統(tǒng)循跡和速度加減等。關(guān)于智能平衡車(chē)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)流程都表現(xiàn)在了以下圖中：

圖1

首先，根據(jù)該圖我們可以看到關(guān)于STM32自動(dòng)平衡車(chē)的穩(wěn)壓電源模塊。電源作為一個(gè)自動(dòng)化智能設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程之中必不可少的模塊，是否能夠有穩(wěn)定的電源提供來(lái)源對(duì)于自動(dòng)化智能設(shè)備來(lái)說(shuō)有著十分關(guān)鍵的作用。一般來(lái)說(shuō)，在對(duì)自動(dòng)平衡車(chē)的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)設(shè)計(jì)工作人員都會(huì)事先對(duì)自動(dòng)平衡車(chē)的具體情況進(jìn)行掌握，從而設(shè)計(jì)出能夠符合平衡車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定電源系統(tǒng)，也只有這樣才能夠真正的從電路上來(lái)避免各模塊之間由于電源不同而引發(fā)的一系列故障產(chǎn)生。根據(jù)該類(lèi)型自動(dòng)平衡車(chē)電源提供的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，大部分STM32智能平衡車(chē)的控制系統(tǒng)所選用穩(wěn)定電源來(lái)源都是以五伏電壓提供為主的，而智能平衡車(chē)系統(tǒng)內(nèi)部的單片機(jī)則是以3.3伏電壓來(lái)進(jìn)行供電。

其次，關(guān)于智能平衡車(chē)的角度測(cè)量模塊這一方面，它主要是通過(guò)對(duì)陀螺儀和傳感器的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能平衡車(chē)的角度精確測(cè)量。當(dāng)前所使用的角度傳感器是以mma7260為主的傳感器，該類(lèi)型加速度傳感器主要是通過(guò)對(duì)重力分量原理的具體應(yīng)用，來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)具有低耗能高靈敏度的傳感器。同時(shí)，由于智能平衡車(chē)應(yīng)用了這種具有高靈敏性的傳感器，它也使得平衡車(chē)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程之中能夠同時(shí)輸出有關(guān)于xyz三個(gè)方向的數(shù)值，從而能夠更更加精準(zhǔn)地對(duì)平衡車(chē)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方向進(jìn)行測(cè)量。智能平衡車(chē)的角度測(cè)量還需要使用到關(guān)于角速度的陀螺儀。一般來(lái)說(shuō)，智能平衡車(chē)主要是通過(guò)對(duì)模擬電壓信號(hào)與角速度之間的關(guān)系原理進(jìn)行利用，來(lái)實(shí)現(xiàn)角速度對(duì)時(shí)間值的積分的具體轉(zhuǎn)換。而且由于模擬電壓信號(hào)與角速度之間存在著正比的關(guān)系，角速度的時(shí)間積分可以通過(guò)計(jì)算與轉(zhuǎn)換來(lái)得到智能平衡車(chē)靈敏軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度值，也就是能夠輕而易舉的將智能平衡車(chē)的傾角進(jìn)行計(jì)算。因此，這也就能夠讓智能平衡車(chē)具備體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)靈敏的特性。

最后，是關(guān)于智能平衡車(chē)的賽道采集模塊。智能平衡車(chē)的賽道信息采集主要是通過(guò)對(duì)中央處理單元的具體使用來(lái)實(shí)現(xiàn)，其他控制系統(tǒng)將所收集到的信息反映給中央處理單元，中央處理單元再對(duì)所獲得的信息進(jìn)行加工和處理分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)賽道模塊數(shù)據(jù)的集中處理[2]。

2 關(guān)于智能平衡車(chē)的軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

在智能平衡車(chē)的軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容之中，圖像外部信息的采集主要是通過(guò)對(duì)內(nèi)部處理中斷來(lái)具體完成，而且在智能平衡車(chē)軟件控制系統(tǒng)的圖像采集這一部分要比其他處中斷等內(nèi)容高級(jí)很多。在智能平衡車(chē)的控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)一毫米的定時(shí)器中斷服務(wù)程序，該中斷服務(wù)程序需要對(duì)智能平衡車(chē)的電機(jī)轉(zhuǎn)速讀取、傳感信號(hào)的采集、小車(chē)直立控制和小車(chē)速度控制等完成數(shù)據(jù)的分析和輸出。而且在這一過(guò)程之中，智能平衡車(chē)的終端服務(wù)程序還會(huì)對(duì)這些開(kāi)展一個(gè)計(jì)數(shù)工作，利用智能平衡車(chē)全局變量的計(jì)數(shù)，對(duì)智能平衡車(chē)控制系統(tǒng)各個(gè)子模塊進(jìn)行順序方面的執(zhí)行。

一般來(lái)說(shuō)，智能平衡車(chē)的軟件系統(tǒng)需要首先完成初始化工作。在這一項(xiàng)工作內(nèi)容之中，他需要對(duì)pw通道、Adc通道等具體工作內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，在智能平衡車(chē)的初始化工作完成之后，軟件系統(tǒng)需要對(duì)人機(jī)交互模塊的參數(shù)信息進(jìn)行讀取，比如說(shuō)像智能平衡車(chē)的撥碼開(kāi)關(guān)工作和上位機(jī)傳回?cái)?shù)據(jù)等均需要軟件系統(tǒng)對(duì)該參數(shù)的讀取來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。在這之后，智能平衡車(chē)的三級(jí)中斷會(huì)按照先后順序進(jìn)行優(yōu)先分級(jí)，使得智能平衡車(chē)的各項(xiàng)任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)交替完成。最后才能夠進(jìn)入到dma中斷服務(wù)系統(tǒng)之中對(duì)圖像是否采集完畢進(jìn)行判斷，使得各個(gè)仔模塊的任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)有序不紊的完成[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以STM32為控制核心的智能平衡車(chē)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)要較為全面一些。它主要涉及到了要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的信號(hào)收集、對(duì)自動(dòng)平衡控制的PID參數(shù)進(jìn)行整定、對(duì)賽道信息信號(hào)的圖像進(jìn)行提取和對(duì)道路圖像進(jìn)行識(shí)別等。由此可見(jiàn)，智能平衡車(chē)的研發(fā)與使用相對(duì)來(lái)說(shuō)要更加便捷一些，它是科技發(fā)展下的一個(gè)新型智能化產(chǎn)物，它的控制系統(tǒng)的應(yīng)用也是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的一個(gè)代表。