基于STM32的兩輪平衡車設(shè)計(jì)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 于浩 韓宇航 辛妍貝 李磊

1 制作方案

1.1 比較與選擇

1.1.1 單片機(jī)型號(hào)選擇

平衡車采用STM32F10C8T6單片機(jī)，具有高達(dá)72MHz的工作頻率，處理速度快，可以滿足平衡車100Hz的調(diào)整頻率，具有成熟的開發(fā)技術(shù)，使用廣泛，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。

1.1.2 電機(jī)型號(hào)選擇

平衡車采用12V掛載霍爾原理的編碼器電機(jī)，具有大扭矩、小內(nèi)阻、響應(yīng)速度快、使用壽命長等特點(diǎn)。

1.1.3 驅(qū)動(dòng)選擇

平衡車選擇使用TB6612FNG型號(hào)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)具有高達(dá)100KHz的反應(yīng)速度，可以滿足平衡車PWM波0～7200的驅(qū)動(dòng)范圍，對(duì)車可以進(jìn)行微小調(diào)整，并且具有內(nèi)耗小、輸出功率大的特點(diǎn)。

1.1.4 顯示模塊選擇

使用OLED屏幕作為顯示模塊，功耗低，采用了SPIO的通訊方式，具有較快反應(yīng)速度，刷新頻率較高，實(shí)時(shí)顯示平衡車各個(gè)部分的運(yùn)行狀況。

1.1.5 電源選擇

平衡車選用流行的可充電鋰電池進(jìn)行供電，輸出功率可達(dá)36W，2200mah的容量可保證平衡車的長時(shí)間工作，并且具有高達(dá)2000次的充電次數(shù)，可隨時(shí)更換。

1.1.6 通訊模塊選擇

通訊模塊選擇HC-05藍(lán)牙模塊，可接收來自手機(jī)藍(lán)牙的控制或者由遙控器控制，具有配置簡單、抗干擾能力強(qiáng)、技術(shù)成熟、使用廣泛、低功耗等特點(diǎn)。

1.1.7 陀螺儀的選擇

作為穩(wěn)定器，陀螺儀在平衡車能夠兩輪直立行走中起著尤為重要的作用。陀螺儀模塊，通過IIC通訊將平衡車的三個(gè)維度上的角速度和角加速度，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，并通過內(nèi)部定時(shí)器200Hz的頻率進(jìn)而來改變IINT引腳的電平，觸發(fā)單片機(jī)使之中斷，進(jìn)而對(duì)平衡車進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。選擇量程大，測(cè)量精度高，采集頻率高，PCB的布局都會(huì)提高M(jìn)PU6050的測(cè)量準(zhǔn)度。

1.1.8 電路穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

選擇LM2596T-5V和AMS1117-3.3V，LM2596-5V滿足平衡車低壓側(cè)傳感器通訊模塊的使用電壓，輸出電流波形平緩，不易因負(fù)極電流回流產(chǎn)生干擾，為AMS1117-3.3V提供了平滑的5V電流，AMS1117-3.3V負(fù)責(zé)給單片機(jī)、MPU6050、OLED供電，最高500mA的輸出能力，足以滿足三個(gè)部分的取電需要。附：PCB設(shè)計(jì)圖。

2 設(shè)計(jì)思路及原理

兩輪直立平衡車綜合運(yùn)用了兩輪同軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、懸架結(jié)構(gòu)和倒立擺模型等自平衡原理，通過STM32單片機(jī)對(duì)MUP6050傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行中斷的觸發(fā)及姿態(tài)調(diào)整。是一種處在微處理器控制下的智能平衡車。整車由地盤、轉(zhuǎn)向裝置、控制裝置、動(dòng)力裝置組成。

3 理論分析及程序設(shè)計(jì)

3.1 算法使用

3.1.1 卡爾曼濾波

卡爾曼率波可以解決傳感器測(cè)量精度不夠的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡車俯仰角和橫滾角的高精度測(cè)量。我們建立觀測(cè)方程，依據(jù)加速度計(jì)等設(shè)備分析計(jì)算出的姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，另外，在建立狀態(tài)預(yù)測(cè)方程中采用陀螺儀所輸出的角速度作為數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，通過建立卡爾曼率波器進(jìn)行陀螺儀和加速度兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合，根據(jù)數(shù)據(jù)特征對(duì)平衡車的姿態(tài)角進(jìn)行相應(yīng)的估算。通過卡爾曼率波對(duì)陀螺儀模塊反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，大大確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小了數(shù)據(jù)的波動(dòng)，消除了數(shù)據(jù)出現(xiàn)的尖峰和低谷。

3.1.2 PID算法

平衡車最基本的就是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，MPU6050設(shè)備內(nèi)置陀螺儀與加速度計(jì)，基于單片機(jī)的數(shù)字系統(tǒng)將PID算法采錄為平衡車最主要的算法，目前來看PID是技術(shù)最成熟、效果最好、使用范圍最廣泛的算法之一。在PID算法中，將返回值和給定值進(jìn)行比例、微分、積分等運(yùn)算。平衡車中的直立環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)以及速度環(huán)節(jié)等都是通過PID算綜合調(diào)控。能夠?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制將成為小車進(jìn)行恒定平穩(wěn)的功能運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，一般情況下，都是在通過調(diào)試直立環(huán)節(jié)之后，對(duì)速度環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，最終對(duì)轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序包括幾個(gè)部分：OLED初始程序、單片機(jī)定時(shí)器編碼器模式初始程序、單片機(jī)定時(shí)器輸出PWM初始程序、藍(lán)牙模塊初始程序、MPU6050陀螺儀初始程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)初始程序、單片機(jī)外部中斷初始程序等各個(gè)硬件部分的初始化進(jìn)程。

底層代碼使用ST公司推出的CubeMX進(jìn)行編寫，使用流行的Hal庫進(jìn)行編寫，代碼可移植性比基礎(chǔ)庫強(qiáng)，可讀性較高，極大地節(jié)約了底層代碼的編寫時(shí)間，構(gòu)建底層代碼結(jié)束后，參照網(wǎng)上CSDN等諸多資料，開始根據(jù)自己的編譯環(huán)境進(jìn)行控制部分的編程。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 基本組成

平衡車機(jī)械構(gòu)造自上而下分為三部分，分別為平臺(tái)、控制層、電機(jī)驅(qū)動(dòng)層。最上部分用于承重和OLED屏的放置，有效觀察平衡車各部分運(yùn)轉(zhuǎn)情況，控制層主要由STM32單片機(jī)和MPU6050等組成的核心主控電路。用于姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理運(yùn)算，以及系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。電機(jī)層是平衡車動(dòng)力來源，由供電電路和電機(jī)控制電路組成，與控制層保持通訊，確保車體平衡。

5 總結(jié)

本文提出了一種平衡車設(shè)計(jì)構(gòu)造方案。以STM32單片機(jī)為控制核心，通過MPU6050對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)的計(jì)算和以PID算法作為核心的系統(tǒng)軟件控制算法構(gòu)成了整體樣機(jī)。通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向、直立等姿態(tài)。這種平衡車無論是硬件還是軟件都是可靠并有效的。實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車的動(dòng)態(tài)平衡與運(yùn)動(dòng)控制。

附：PCB設(shè)計(jì)圖