兩輪自平衡小車系統(tǒng)

摘

要雙輪平衡車是基于STM32設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過STM32作為控制核心，集成陀螺儀模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、電機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊等組成整個(gè)平衡車結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)小車平衡，使其實(shí)現(xiàn)站立平衡行走，通過運(yùn)用平衡原理，測量小車姿態(tài)角參數(shù)變化，并加入到PID算法中，通過不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)小車平衡行走。完成了如下指標(biāo)：（1）由人手持小車為直立狀態(tài)開始保持平衡，平衡時(shí)間1分鐘以上。（2）小車在平衡狀態(tài)下能夠向前行走0.5米以上，并始終保持平衡。（3）小車在平衡狀態(tài)下能夠旋轉(zhuǎn)180°并繼續(xù)保持平衡；（4）小車在平衡狀態(tài)時(shí)加入較小外力干擾并仍能保持；（5）開始保持平衡后移動(dòng)范圍不超出以小車為中心0.1米范圍內(nèi)；（6）小車在平衡狀態(tài)下能夠旋轉(zhuǎn)360°并繼續(xù)保持平衡；（7）在平衡狀態(tài)下用無線遙控小車前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎，并始終保持平衡；PID算法通過對(duì)小車角度進(jìn)行測量使小車直立控制下保持平衡，再通過小車測速，使小車通過改變傾角來控制速度，進(jìn)而對(duì)自身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。關(guān)鍵詞：PID算法;mpu6050;霍爾編碼器；目錄\t"/qq_63520672/article/details/_self"1.方案比較與選擇\t"/qq_63520672/article/details/_self"2．方案描述\t"/qq_63520672/article/details/_self"1.建立平衡車倒立擺模型\t"/qq_63520672/article/details/_self"2.模型的求解\t"/qq_63520672/article/details/_self"3．控制方案的分析與設(shè)計(jì)\t"/qq_63520672/article/details/_self"1.電路設(shè)計(jì)\t"/qq_63520672/article/details/_self"2.程序設(shè)計(jì)\t"/qq_63520672/article/details/_self"1.使用儀器\t"/qq_63520672/article/details/_self"2.測試項(xiàng)目\t"/qq_63520672/article/details/_self"3.測試結(jié)果分析

一、系統(tǒng)方案1.

方案比較與選擇（1）陀螺儀選取方案一：LE-60-OEMLE-60-OEM通過測量靜態(tài)重力加速度變化，轉(zhuǎn)換成傾角變化。測量輸出傳感器相對(duì)于水平面的俯仰和橫滾角度。由于LE-60-OEM具有高精度和高性能等突出特點(diǎn)，因此其成本相對(duì)較高，不適合所有應(yīng)用場景。此外，雖然小車的航向角Yaw不太重要，但是失去轉(zhuǎn)向環(huán)對(duì)小車的穩(wěn)定性依舊有一定影響。方案二：MPU6050是InvenSense公司推出的整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個(gè)IIC接口，可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP:DigitalMotionProcessor）硬件加速引擎，通過主IIC接口，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。方案二完全滿足題目要求且具備更優(yōu)的性能。綜上所述故選擇方案二。（2）控制器選取方案一：STM32F1是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一系列32位ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器（MCU）系列產(chǎn)品。其集成了豐富的外設(shè)，包括多個(gè)通用定時(shí)器、模擬轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、USB、CAN總線等，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。STM32F1系列產(chǎn)品具有低功耗、高性能、可靠性高等特點(diǎn)，是市場上較為受歡迎的MCU產(chǎn)品之一。方案二：STM32F4是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一系列高性能32位ARMCortex-M4內(nèi)核的微控制器（MCU）系列產(chǎn)品。相比于STM32F1系列，STM32F4系列產(chǎn)品具有更高的時(shí)鐘頻率、更多的存儲(chǔ)容量、更強(qiáng)的計(jì)算能力和更豐富的外設(shè)資源，包括多個(gè)高速通用定時(shí)器、模擬轉(zhuǎn)換器、多個(gè)串行通信接口、以太網(wǎng)、USB、SDIO等。STM32F4系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理、音頻處理、圖像處理、高速通信等領(lǐng)域。STM32F4系列產(chǎn)品還支持DSP指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），使其在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中具有更高的性能和更低的功耗綜上所述故選擇方案二。（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選取方案一：TB6612N是一種雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。它可以通過PWM信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。TB6612N的最大電流為3A，可以工作在2.5V到13.5V之間的電壓范圍內(nèi)。方案二：L298N是一種常用的雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由ST公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)。它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，最大電流為2A，工作電壓在5V到35V之間。L298N的特點(diǎn)包括低電壓輸出、內(nèi)置過流保護(hù)、內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)、PWM控制輸入等。L298N的引腳排列緊湊，易于布局，并且具有較高的電流輸出能力和保護(hù)功能，因此受到廣泛的歡迎。L298N的使用簡單，只需要連接電源、電機(jī)和控制信號(hào)即可，價(jià)格相較低于TB6612N。綜上所述故選擇方案二。（4）無線模塊選取方案一：HX1838B紅外接收模塊能夠滿足短距離內(nèi)的遙控需求，且價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，只需要簡單的解碼就可以接收數(shù)據(jù)。但是使用它需要占用一個(gè)中斷，影響程序的運(yùn)行效率方案二：HC-05是一種廣泛應(yīng)用于各種場合，且支持藍(lán)牙4.0驅(qū)動(dòng)的模塊。在最新的安卓、IOS、Windows操作系統(tǒng)以及微信小程序中都能自由使用，具有很強(qiáng)的兼容性。此外，使用它可以直接通過USART串口和上位機(jī)通信，方法簡單技術(shù)成熟。綜上所述故選擇方案二。（5）電源和穩(wěn)壓模塊選取方案一：12V鋰電池+12V-5/3.3V電源模塊可以滿足電機(jī)12V驅(qū)動(dòng)供電，以及單片機(jī)和其他模塊的正常供電。方案二：12V聚合物電池+12V-5/3.3V電源模塊功能與方案一相同，最大的區(qū)別在于聚合物電池的體積小。綜上所述故選擇方案二。（6）電機(jī)選取方案一：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，電機(jī)的位置可以被精準(zhǔn)控制。但是對(duì)于平衡小車這個(gè)極度不平衡的系統(tǒng)，受到的干擾很大，很難完成精準(zhǔn)控制方案二：減速電機(jī)是在上普通電機(jī)加上了減速箱，這樣便降低了轉(zhuǎn)速，增加了扭力。滿足了小車大載重和高速反應(yīng)的需求，但是速度控制需要用PWM波調(diào)節(jié)，精確度不是很高。綜上所述故選擇方案二。2．方案描述根據(jù)以上方案比較、分析與綜合考慮，本系統(tǒng)最終確定的系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)以高性能和低功耗STM32F4為控制核心，小車自平衡系統(tǒng)采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、OLED顯示模塊、HC-06藍(lán)牙模塊、電源及穩(wěn)壓模塊等構(gòu)成。通過mpu6050的三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)解算獲得相應(yīng)的橫滾角、俯仰角、偏航角數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在OLED屏幕上。運(yùn)用PID算法，根據(jù)傾斜角度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得車體能夠保持平衡。二、理論分析與計(jì)算1.

建立平衡車倒立擺模型從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，擺動(dòng)可以分為順擺和倒立擺。平衡車所用到的就是倒立擺。如圖2所示：圖2倒立擺平衡車需要通過負(fù)反饋系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。靜止的時(shí)候無法平衡，所以要讓平衡車發(fā)生傾斜，車輪才能及時(shí)地轉(zhuǎn)動(dòng)且位移方向與傾斜方向一致，這樣才能抵消傾斜，車身就能保持平衡。如圖3所示：圖3平衡車平衡過程對(duì)平衡車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解，如果想要達(dá)到平衡地目的，平衡車所受重力和平衡車懸掛上輸出地馬力足夠才能達(dá)到平衡狀態(tài)。為了更加直觀地分析平衡車地受力情況，可以把平衡車的平衡點(diǎn)看作是重心并依據(jù)中心畫出力的分解示意圖，這樣就建造比較直觀的受力模型。如圖4所示：圖4平衡車受力分析2.

模型的求解根據(jù)上述模型的建立，進(jìn)一步分析計(jì)算，假設(shè)小車重心長度L，平衡車偏移角度，自身質(zhì)量為m，平衡車自身收到的外部干擾為x(t)，STM32平衡車的加速度。我們可以得出以下公式：

(1)小車保持平衡一段時(shí)間后，它受到影響不太大，即當(dāng)?shù)陀诘臅r(shí)候，會(huì)有以下等值式，（1）式可變?yōu)椋?/p>

(2)

此時(shí)平衡車已經(jīng)達(dá)到平衡，即a(t)=0，由此可得：(3)由（3）式我們可以推算出該平衡車系統(tǒng)兩極點(diǎn)都為再依據(jù)奈奎斯特定律，其中有一個(gè)極點(diǎn)是在S正半軸。由于平衡車的整體系統(tǒng)不能達(dá)到穩(wěn)定所以無法保持平衡，根據(jù)圖4分析可以得到平衡車的a(t)的大小是由平衡車的和來共同決定，因此在控制系統(tǒng)中需引入特殊變量來建立反饋微分控制環(huán)節(jié)。如圖5所示：圖5平衡車系統(tǒng)PD反饋微分控制環(huán)節(jié)

當(dāng)我們把PD(比例微分)反饋調(diào)節(jié)加入到平衡車系統(tǒng)后，可得：(4)這是平衡車兩個(gè)極點(diǎn)都為：(5)通過奎奈斯特定律，我們可推出該系統(tǒng)的左半平面就是極點(diǎn)，當(dāng)k1大于g，k2大于0的時(shí)候，左半平面系統(tǒng)就能夠保持穩(wěn)定，則該小車就能達(dá)到平衡。3．控制方案的分析與設(shè)計(jì)通過角加速度儀S和陀螺儀獲取車身的傾斜角度和角加速度，并且把信息立即傳送到STM32主控芯片上，通過濾波和PID演算得出融合數(shù)據(jù)并傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而操控輪子進(jìn)行自平衡，達(dá)到平衡后再加入其它功能模塊。STM32平衡車的操控由3個(gè)方面組成，如圖6所示：圖6平衡車控制組成圖

從倒立擺模型得出，如果要讓平衡車達(dá)到平衡，就一定能把反饋控制加入到里面。PID控制算法可以對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分，來逐步減少偏差信號(hào)，從而達(dá)到需要的數(shù)值要求。如圖7所示：圖7PID控制圖圖7中r(t)已經(jīng)給出的常量，y(t)是實(shí)際的輸出數(shù)值，e(t)是兩者偏差，所以(6)由此得PID控制方程：(7)式（7）中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。從式（7）中能夠得出PID控制就是按偏差控制，也就是越大控制越強(qiáng)。

根據(jù)平衡車受力分析圖，要使平衡車達(dá)到平衡，必須將積分、比例、反饋這三個(gè)環(huán)節(jié)加入到傳遞函數(shù)中，這樣才能使平衡車平衡。結(jié)合PID比例、積分、微分得特點(diǎn)設(shè)計(jì)PID控制器框圖，如圖8所示：圖8PID控制器如果要采用平衡PID，由上面分析的kp必須大于g，kd大于0是必要條件。這樣系統(tǒng)就會(huì)快速變換STM32平衡車的傾角，從而令小車本身不會(huì)倒下并且保持平衡。但是這個(gè)變換速度比較快，很可能會(huì)出現(xiàn)過小或者過大，而且電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有慣性，會(huì)導(dǎo)致基于STM32的平衡車發(fā)生振動(dòng)，這個(gè)時(shí)候采用微分可以依據(jù)變換的速度自行調(diào)節(jié)輸出PID，從而調(diào)節(jié)幅度，達(dá)到細(xì)調(diào)的功效，細(xì)調(diào)和粗調(diào)相結(jié)合，這樣就能夠使平衡車保持平衡穩(wěn)定。在STM32平衡車的速度方面，要求平衡車能夠依據(jù)設(shè)定的速度勻速前進(jìn)。保持這樣勻速地前進(jìn)有一個(gè)好處，那就是平衡車自身的偏差會(huì)小很多，控制系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差也會(huì)小很多。總的來說，偏差相對(duì)大的時(shí)候可以選用比例調(diào)節(jié)，而偏差相對(duì)小的時(shí)候可以選用積分來調(diào)節(jié)。在STM32平衡車的方向方面，小車方向的變更主要是依靠兩個(gè)輪子的差速，本次設(shè)計(jì)選用了藍(lán)牙控制，用戶可以依據(jù)自己的需求來用藍(lán)牙遙控器控制STM32平衡車的前進(jìn)方向。當(dāng)平衡車接收到藍(lán)牙信號(hào)的時(shí)候，再調(diào)用PWM來輸出差壓從而達(dá)到方向控制的目的。三、電路與程序設(shè)計(jì)1.

電路設(shè)計(jì)（1）mpu6050電路為了實(shí)現(xiàn)平衡車自平衡，采用mpu6050陀螺儀模塊，其中包含陀螺儀傳感器和加速度傳感器，主要收集小車姿態(tài)信息，可以輸出芯片得三維坐標(biāo)的角度和角加速度。原理圖如圖9示。圖9

mpu6050原理圖（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路平衡車系統(tǒng)采用的是L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。它的特點(diǎn)包括低電壓輸出、內(nèi)置過流保護(hù)、內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)、PWM控制輸入等功能。它可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電機(jī)之間進(jìn)行調(diào)速和控制輪子正反轉(zhuǎn)。如圖10所示：圖10L298N原理圖2.

程序設(shè)計(jì)本項(xiàng)目需要完成小車自檢并達(dá)到平衡，需要完成，延時(shí)函數(shù)初始化、OLED初始化、mpu6050初始化、串口初始化、DMP初始化、IIC初始化、mpu6050中斷初始化、兩個(gè)編碼器初始化、pwm初始化功能，并編寫相應(yīng)函數(shù)功能。（1）軟件整體結(jié)構(gòu)圖。如圖11所示。圖11軟件整體結(jié)構(gòu)圖（2）算法及程序流程圖。如圖12所示：

圖12算法及程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1.

使用儀器

HC_06模塊......一個(gè)2.

測試項(xiàng)目詳細(xì)測試方案請(qǐng)見附錄。測試結(jié)果如表1、表2表1

基本要求測試結(jié)果測量項(xiàng)目題目指標(biāo)完成情況是否達(dá)標(biāo)測試方案簡述與測量儀器1.1由人手持小車為直立狀態(tài)開始保持平衡，平衡時(shí)間1分鐘以上。平衡時(shí)間達(dá)到一分鐘以上小車一直在平衡是通過直接觀看平衡小車的狀態(tài)1.2小車在平衡狀態(tài)下能夠向前行走0.5米以上，并始終保持平衡平衡狀態(tài)下前行0.5米以上并繼續(xù)保持平衡。小車可以一直前行是給予小車一目標(biāo)速度，通過觀察小車以一定的速度前行且平衡。1.3小車在平衡狀態(tài)下能夠旋轉(zhuǎn)180°并繼續(xù)保持平衡。小車旋轉(zhuǎn)180°并繼續(xù)保持平衡小車至少可以旋轉(zhuǎn)180°并繼續(xù)保持平衡。是通過藍(lán)牙控制，可以觀看到小車按預(yù)期的效果旋轉(zhuǎn)180°并繼續(xù)保持平衡。小車在平衡狀態(tài)時(shí)加入較小外力干擾并仍能保持加入外力并繼續(xù)保持平衡。加入足夠的外力小車?yán)^續(xù)保持平衡。是用手前后推小車，查看到小車依然可以保持平衡。表2

發(fā)揮部分測試結(jié)果測量項(xiàng)目題目指標(biāo)完成情況是否達(dá)標(biāo)測試方案簡述與測量儀器