李帥男

（吉林化工學(xué)院， 吉林 吉林 132000）

引言

隨著嵌入式技術(shù)，微電子技術(shù)和控制算法的進(jìn)步，智能化越來越成為當(dāng)今社會發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，而兩輪自平衡車正是其中的一個熱點。在世界各個國家中，不論是高校、實驗室、商業(yè)公司，兩輪自平衡小車的研究越來越多，因為不管是在民用，科研還是軍用方面其有著巨大的應(yīng)用前景，在民用方面，電動兩輪代步平衡車已經(jīng)投放市場，走入用戶家庭中，它綠色環(huán)保，轉(zhuǎn)彎控制方便，無剎車系統(tǒng)，占用地方小，正是這些優(yōu)勢改變著人們的出行方式；在科研方面，有些在很特殊復(fù)雜的空間下，比如狹小、危險、黑暗的環(huán)境，兩輪小車可以更加利用自己的優(yōu)勢來代替人們執(zhí)行特殊的任務(wù)[1]。

2 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

2.1 STM32f103c8單片機(jī)簡介

STM32f103是意法半導(dǎo)體公司新推出的新一代增強(qiáng)型32位芯片，它高度集成且容易開發(fā)，它采用的是高性能的RISC內(nèi)核，運行頻率是72 MHz，內(nèi)部放置了高性能的存儲圣杯，有128 kB閃存，2萬字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器，很多的輸入輸出引腳和2個外圍總線的外部設(shè)備。這個系列的所有型號都有2個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還有三個16位的定時器，1個脈沖寬度調(diào)節(jié)定時器，還有很多快速和通用制度的接口用于傳輸信息，兩個串行工作總線和串行外設(shè)接口，3個全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊，1個通用串行總線接口和1個控制器局域網(wǎng)絡(luò)接口。供電電壓在2.0～3.6 V之間，工作溫度在-40～85 ℃之間[2]。

2.2 MPU6050姿態(tài)傳感器簡介

MPU6050內(nèi)含有三軸的Micro-Electro-Mechanical System微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀，三軸的微機(jī)電系統(tǒng)加速度計，還有可以不斷擴(kuò)充的數(shù)字運動處理器件Digital Motion Processor，使用同步串行總線可以通信其它的數(shù)字型模塊，陀螺儀和加速度計都有3個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因為測量的是模擬量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以變?yōu)閿?shù)字量，因為要捕捉速度不定的移動狀態(tài)，操控者需要選擇不同的范圍，陀螺儀和加速度計的選擇范圍非常豐富，每個有四個梯度[3]。MPU6050如圖1所示。

圖1 MPU6050示意圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊TB6612FNG

在本次設(shè)計中用TB6612FNG模塊作為直流電機(jī)的驅(qū)動模塊，它對電機(jī)有很好的控制和保護(hù)作用，可以隨意調(diào)節(jié)電流大小，避免了沖擊電流對電機(jī)繞組的影響，控制非常方便，調(diào)速很快捷，這款芯片的集成程度都非常的高，驅(qū)動能力也是非常強(qiáng)悍，運行速度快，能耗方面也非常優(yōu)秀[4]。在眾多型號中，它有著出色的性價比優(yōu)勢，也很適合本次平衡小車的設(shè)計，所以選用此款芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖2所示，給主控板供電后，程序開始運行，運行內(nèi)容分為兩個方面，一部分是應(yīng)用到模塊的初始化還有一部分是應(yīng)用程序的初始化。第一部分是系統(tǒng)所有部分的初始化運行，所有的程序由MCU燒錄工具M(jìn)CU-ISP提供產(chǎn)生。另一部分是各個應(yīng)用模塊的初始化，是對所有程序中要使用到的變量值進(jìn)行初始賦值。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

初始化工作完成后，中斷程序運行，可以把定時中斷定為5 ms，中斷開始后，中斷子程序開始運行，這時可以調(diào)整優(yōu)先級調(diào)用各個其它程序塊的函數(shù)，中斷的運用是系統(tǒng)程序運行的重點所在。在中斷子程序中，MCU通過IIC與MPU6050進(jìn)行通訊，可以快速得到雙輪車的加速度值和角速度值，對從姿態(tài)模塊傳送來的角度信息使用PID算法進(jìn)行分析與計算后，將程序運算結(jié)果通過PWM與I/O口的高低電平輸出電機(jī)驅(qū)動模塊再輸送到電機(jī)，可以實現(xiàn)對小車的閉環(huán)直立控制。

4 結(jié)語

系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32f103c8T6為控制核心，使用MPU6050檢測小車的車身姿態(tài)，通過TB6612FNG驅(qū)動兩個直流減速電機(jī)，使雙輪小車平衡直立。軟件系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)單片機(jī)使用手冊設(shè)置各個寄存器；根據(jù)IIC總線協(xié)議編寫通信程序，并且根據(jù)芯片說明配置MPU6050芯片。使用互補(bǔ)濾波融合加速度計與陀螺儀數(shù)據(jù)并實現(xiàn)角度控制。使用PID算法計算角度控制與速度控制的最終輸出量。最終實現(xiàn)了對雙輪自平衡小車的平衡控制，使得小車在沒有外力干擾下能自主實現(xiàn)直立。