摘 要： 介紹一種以STM32為控制核心的兩輪智能平衡車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用陀螺儀和加速度計(jì)獲得車體的傾角和角速度，通過(guò)光電編碼器獲得平衡車的速度。將轉(zhuǎn)速控制信號(hào)與平衡控制信號(hào)疊加加載到兩后輪電機(jī)，實(shí)現(xiàn)平衡車的靜止和直立行走。同時(shí)，采用TSL1401線性CCD獲得賽道圖像信息，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像的識(shí)別處理，準(zhǔn)確快速地提取出賽道的中心線，獲得平衡車的方向偏差控制量。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該平衡車能保持直立行走運(yùn)動(dòng)并快速實(shí)現(xiàn)不同路徑上的轉(zhuǎn)向和自主尋跡，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： STM32F405； 平衡車； 控制系統(tǒng)； 自主尋跡

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0046?03

Design of STM32?based control system for intelligent balanced vehicle

GAO Zhengzhong， GONG Qunying， SONG Sensen

（School of Electrical and Automation Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract：Design of a STM32?based control system for intelligent balanced vehicle is introduced， which uses the gyroscope and accelerometer to get the dip angle and angular velocity of the balanced vehicle， and adopts photoelectric encoder to acquire the speed of the balanced vehicle. The speed control signal and balance control signal are superimposed and then are loaded to the two motors in rear wheels for realizing the stillness and upright walk of the vehicle. Meanwhile， TSL1401 linear CCD is used to obtain the image information of the track， and the center line of the track is got accurately and the controlled quantity of direction bias of the vehicle is obtained after the recognition processing of the image. The actual operation results show that intelligent balanced vehicle can keep upright walk， implement steering and autonomous tracing on different paths quickly， and has good adaptability and stability.

Keywords： STM32F405； balanced vehicle； control system； autonomous tracing

0 引 言

在科學(xué)技術(shù)不斷取得新突破的今天，機(jī)器人走進(jìn)家庭進(jìn)入工廠已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，機(jī)器人與人們的聯(lián)系越來(lái)越密切。而兩輪移動(dòng)式機(jī)器人因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、反應(yīng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1?3]。本文結(jié)合自動(dòng)控制原理、通信技術(shù)和傳感器應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)，完成了一個(gè)具有自主識(shí)別道路的兩輪平衡車的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以STM32系列單片機(jī)為控制核心，運(yùn)用陀螺儀、加速度計(jì)和光電編碼器等傳感器采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，在硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上輔以軟件編程實(shí)現(xiàn)了平衡車的直立快速運(yùn)動(dòng)和不同路徑上的轉(zhuǎn)向和自主尋跡。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由微控制器、穩(wěn)壓電源、角度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速模塊、賽道信息采集、人機(jī)交互等模塊組成。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)某些控制算法的處理后輸出PWM控制信號(hào)控制兩后輪電機(jī)，以完成系統(tǒng)的加減速、轉(zhuǎn)向和自主尋跡等[4?5]，系統(tǒng)硬件整體框圖如圖1所示。

1.1 微控制器模塊

該系統(tǒng)選用STM32F405單片機(jī)為控制器，該控制器是以CortexTM?M4為內(nèi)核的高性能MCU[6]，工作頻率能夠達(dá)到168 MHz；同時(shí)STM32F405微控制器集成了單周期的DSP指令和FPU并行計(jì)算功能，運(yùn)算能力被大大提高，能夠完成部分更復(fù)雜的系統(tǒng)控制。

1.2 穩(wěn)壓電源模塊

穩(wěn)定的電源對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作是必不可少且及其重要的。因此在設(shè)計(jì)平衡車系統(tǒng)時(shí)為各個(gè)模塊配置了合適、穩(wěn)定的電源，并且在電路設(shè)計(jì)上避免不同電源和相同電源不同模塊之間的干擾，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。該平衡車系統(tǒng)的大部分電路器件為5 V電壓供電，單片機(jī)核心控制器則為3.3 V低壓供電。圖2為系統(tǒng)穩(wěn)壓電源模塊原理圖。

1.3 角度測(cè)量模塊

1.3.1 加速度傳感器

本設(shè)計(jì)采用MMA7260加速度傳感器，其是一款基于重力分量換算原理的低功耗高靈敏度的加速度傳感器，能夠同時(shí)輸出x，y，z三個(gè)方向的加速度值，用于測(cè)量平衡車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方向。

1.3.2 角速度傳感器?陀螺儀

采用ENC?03陀螺儀測(cè)量平衡車相對(duì)于靈敏軸的傾角。陀螺儀輸出的模擬電壓信號(hào)與角速度成正比；通過(guò)將該角速度對(duì)時(shí)間積分便得到靈敏軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度值，即平衡車的傾角。其具有體積小、重量輕、響應(yīng)快和功耗低等特征。

1.4 賽道信息采集模塊

系統(tǒng)利用TSL1401線性CCD模塊[7]對(duì)比賽賽道信息進(jìn)行采集并反饋給中央處理單元，由中央處理單元對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行和正反轉(zhuǎn)控制，如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用兩片IR2101芯片和4個(gè)MOS管IRF3205組成了一個(gè)H橋型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。IR2101是一款高壓、高速并帶有獨(dú)立的高低側(cè)參考輸出通道的電力MOS管和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，1片IR2101芯片能夠驅(qū)動(dòng)2個(gè)MOS管并控制其通斷狀態(tài)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖3中4個(gè)MOS管作為開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)1號(hào)IRF3205和3號(hào)IRF3205處于導(dǎo)通狀態(tài)，2號(hào)IRF3205和4號(hào)IRF3205處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制上橋臂MOS管采用PWM方式，下橋臂MOS管只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。為了防止異常情況的發(fā)生，保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)，設(shè)計(jì)中加入了電流檢測(cè)電路，電機(jī)電流全部流經(jīng)0.02 Ω的采樣電阻，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)一階低通濾波和同相比例運(yùn)算放大器之后送給單片機(jī)的模擬量輸入口，單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣該電壓即可檢測(cè)流經(jīng)電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，異常情況即可控制PWM占空比封鎖驅(qū)動(dòng)輸出電壓，已達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的目的。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，圖像的采集由外部中斷來(lái)單獨(dú)處理，且圖像采集的優(yōu)先級(jí)高于其他內(nèi)部中斷。傳感器信號(hào)的采集、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取、小車直立控制、小車速度控制、小車方向控制等則放在一個(gè)1 ms的定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成，用一個(gè)全局變量進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子模塊有序地執(zhí)行。圖像獲取、圖像處理和黑線提取、方向偏移量和方差的求取及無(wú)線串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送則放在主程序中。圖4為系統(tǒng)主程序流程圖。

軟件系統(tǒng)首先完成各功能模塊的初始化。包括PWM通道、ADC通道及I/O口的設(shè)置等。初始化完成后，讀取人機(jī)交互模塊的參數(shù)，包括撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和上位機(jī)傳回的數(shù)據(jù)。然后開(kāi)始進(jìn)入無(wú)限循環(huán)。三級(jí)中斷按照優(yōu)先級(jí)先后進(jìn)入各任務(wù)交替完成，首先進(jìn)入中斷優(yōu)先級(jí)最高的圖像采集程序，再進(jìn)入DMA中斷服務(wù)程序判斷圖像是否采集完畢，若采集完畢設(shè)置圖像處理標(biāo)志位置位，最后進(jìn)入1 ms的定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序，基于全局計(jì)數(shù)變量的值使各子模塊的運(yùn)行任務(wù)有序地完成。無(wú)中斷信號(hào)請(qǐng)求時(shí)，則在主循環(huán)中執(zhí)行圖像去噪處理、黑線提取和賽道形式判斷程序[8?9]。若檢測(cè)到平衡車傾角超過(guò)了某一事先設(shè)定好的閾值則可認(rèn)為平衡車跌倒，則應(yīng)該令平衡車停止運(yùn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以STM32為控制核心的智能平衡車控制系統(tǒng)。以智能平衡車為研究對(duì)象，對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程進(jìn)行相關(guān)研究，主要有：傳感器采集信號(hào)的濾波、自平衡控制的PID參數(shù)的整定、賽道圖像提取、道路形式的識(shí)別及小車轉(zhuǎn)向的控制、角度閉環(huán)和速度閉環(huán)的相互協(xié)調(diào)等。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的跑道上，該兩輪平衡車能很好地沿著模擬路徑進(jìn)行快速運(yùn)行。

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