藍(lán)東浩　王強(qiáng)　吳司林

摘要：平衡車作為近幾年新出現(xiàn)的代步工具，它的技術(shù)還在不斷完善和拓展中。為了單片機(jī)更精準(zhǔn)對雙輪平衡車的控制，本項(xiàng)目小組提出了基于32位單片機(jī)的平衡車控制算法的研究。平衡車的平衡原理是通過對車體自身姿態(tài)的解算，控制共軸平行雙輪的相對獨(dú)立運(yùn)動(dòng)保持平衡，平衡車控制系統(tǒng)由CPU、陀螺儀、姿態(tài)傳感器、輪轂電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和蓄電池六大部分組成。STM32F103芯片作為最常用的32位單片機(jī)芯片，其數(shù)據(jù)處理速度和邏輯運(yùn)算能力完全能夠勝任平衡車控制算法的要求。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；平衡車；PID算法；陀螺儀

中圖分類號(hào)：TN919.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

雙輪平衡車控制系統(tǒng)是一個(gè)集速度信息采集、姿態(tài)信息分析并加以處理控制的復(fù)雜系統(tǒng)，在達(dá)到車體動(dòng)態(tài)平衡的同時(shí)，還能按照使用者的實(shí)時(shí)操作完成相應(yīng)的動(dòng)作，因此核心處理器應(yīng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較快的響應(yīng)速度。

1 平衡算法

平衡車最基本的功能是能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡，也就是在啟動(dòng)后保持直立不倒，平衡車用負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)對車體的平衡控制，當(dāng)車身在重力方向上發(fā)生角度偏移，陀螺儀傳感器能測出運(yùn)動(dòng)的角速度，通過積分算法將得到車體在豎直方向偏移的角度。本算法擬使用MPU6050陀螺儀傳感器。MPU6050是整合性6軸處理器，結(jié)合陀螺儀與加速度計(jì)，相對于其他方案，完美解決了陀螺儀與加速器存在時(shí)間差的問題。該單片機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，因此采用離散型PID算法，PID算法是平衡車算法的核心算法，也是目前已知的連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、調(diào)節(jié)效果最好、使用場合最廣的精準(zhǔn)控制算法之一。實(shí)際運(yùn)用中使用靈活，PID算法將給定值與返回值的偏差按比例、積分、微分通過各自的調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算。PID算法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許比例、積分、微分各自調(diào)節(jié)系數(shù)為零。每個(gè)系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電路都不同，因此PID調(diào)節(jié)系數(shù)也不同，對于平衡車系統(tǒng)，陀螺儀水平安裝，給定值為陀螺儀的角度初始值，考慮安裝偏差設(shè)置補(bǔ)償角。程序：

int PID（float A）

{

Kie=Kie+（A+K）；

Kde=（A+K）Kde；

pwm_num=Kp*（A+K）Kd*（Kde）+ki*（Kie）；

pwm=（int）pwm_num；

return pwm；

}

2 速度控制算法

速度控制分為前進(jìn)速度控制和轉(zhuǎn)向速度控制，左右兩輪速度差的大小和傾斜角成正比，當(dāng)傾斜角增大，相應(yīng)的速度差也應(yīng)該越大。因?yàn)橹绷⑵胶饪刂浦邢到y(tǒng)把速度控制和轉(zhuǎn)向控制當(dāng)作干擾，所以調(diào)節(jié)起伏過大將嚴(yán)重影響平衡。但平衡車勻速向前運(yùn)動(dòng)時(shí)不能直接利用傾斜角來判斷速度大小，因?yàn)榇藭r(shí)不能得出平衡車的偏移角。在平衡車控制系統(tǒng)中速度控制以及轉(zhuǎn)向控制屬于平衡車控制系統(tǒng)中的輔助控制。平衡車傾斜時(shí)，如圖重力正交分解成軸向力F1和向前力F2，輪轂電機(jī)在地面以一定的速度v滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生于F2方向相反大小相等的摩擦力f，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。輪轂電機(jī)帶有霍爾編碼器，STM32單片機(jī)只需采集編碼器即可隨時(shí)獲取車輪的轉(zhuǎn)速，車輪直徑固定不變，可以求出車體速度，再將速度按速度比例加在平衡控制的期望值中。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)過程中，STM32平衡車的輪轂電機(jī)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，需要較快的響應(yīng)速度，在慣性環(huán)節(jié)結(jié)束前動(dòng)作，所以供電電源是影響整體性能的關(guān)鍵之一，較好的供電方案采用大功率MOS管，以橋式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)注意主控電路與驅(qū)動(dòng)電路的隔離。

4 結(jié)論

STM32平衡車控制算法在實(shí)際工程運(yùn)用中具有良好的適應(yīng)性，針對不同的產(chǎn)品只需修改其中相應(yīng)的參數(shù)，就能達(dá)到精確控制的效果。結(jié)合STM32庫函數(shù)編程方式，能極大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和快速檢修故障。并且STM32F103單片機(jī)價(jià)格低廉，性價(jià)比高。適合產(chǎn)品大范圍推廣和生產(chǎn)。

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