郭海麗

（衡水學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北衡水 053000）

0 引言

如今的自平衡車已成為人們出行的交通工具，平衡車涵蓋了嵌入式技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計技術(shù)，是電子技術(shù)的結(jié)晶。平衡車可以在很小空間中運作，也可以成為出行的代步工具，其具有低功耗、環(huán)保、方便、高效等特點，受到人們越來越廣泛的關(guān)注。自平衡車沒有其他交通工具的固有機械構(gòu)造，通過軟件程序與硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)其穩(wěn)定性，所用算法多種多樣，實現(xiàn)的效果越來越顯著。雙輪自平衡車將單片機技術(shù)、自動控制及控制算法有機的結(jié)合到一起，是研究控制程序以及傳感器應(yīng)用的理想平臺。本設(shè)計通過利用STM32 主控芯片和MPU6050 芯片，實現(xiàn)兩輪小車的自平衡，并通過2.4G 無線傳輸模塊實現(xiàn)對小車方向的控制。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

通過改變所用電機的轉(zhuǎn)動速度及方向?qū)崿F(xiàn)小車的自平衡，而且可以用無線遙控進行控制，達到以下要求。

（1）可通過串口屏對小車狀態(tài)進行無線調(diào)節(jié)，控制小車運動。

（2）用可調(diào)電阻控制小車上機械臂的運動，用來拿取并放置物體。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

以穩(wěn)定、安全、可靠為設(shè)計原則。平衡車已逐漸進入人們的生活，所以其車體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，其他一切操作都要在保證車體穩(wěn)定的前提下進行，在設(shè)計時要保證車體重心在車輪中軸線上。同時提高對角度測量的準確性，以此保證車體的穩(wěn)定。隨后完成小車的前后運動及對機械臂抓取物體的控制等。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

小車整體從機械結(jié)構(gòu)上看，自下而上依次為電機驅(qū)動層、應(yīng)用控制層、整體受力層。電機驅(qū)動層直接控制電機輪子的運動，驅(qū)動電機使其實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)及加減速，以此來達到小車的平衡狀態(tài)。當然電機驅(qū)動層只是被動接受命令，真正的指令由控制層發(fā)出。它通過安裝在小車車體及車輪電機上的傳感器來獲取到小車當前的狀態(tài)。經(jīng)處理運算后發(fā)出正確的命令來驅(qū)動電機運動，所以該層為小車控制的核心。受力層顧名思義為整個車體的承重部分。受力層如果穩(wěn)定堅固，小車本身能承載的重量也越重。

該系統(tǒng)以STM32F103RCT6 單片機為整個系統(tǒng)的核心，通過集成加速度與角度的六軸傳感器MPU6050 來獲取小車當前狀態(tài)。MPU6050 該芯片采用IIC 通信，減少STM32 芯片IO 口的占用。小車整體主要由主控部分、電源模塊、無線傳輸模塊、六軸傳感器姿態(tài)采集模塊、平衡相關(guān)驅(qū)動等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

主控芯片和周圍器件組成的電路是控制的核心。其作用相當于人類的頭腦，一切命令都由它傳遞。本設(shè)計所用的主控芯片是STM32F103RCT6。單片機最小系統(tǒng)由復(fù)位、下載、系統(tǒng)時鐘及整流濾波等4 部分組成。

2.2 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用12 V 可充電鋰電池組進行供電，通過降壓模塊逐級降壓，得到系統(tǒng)各模塊的工作所需電壓。各模塊之間電壓不同，電機運轉(zhuǎn)所需要的電壓為12 V，顯示電路、舵機驅(qū)動芯片需要5 V 電壓驅(qū)動，STM32 需要3.3 V 的電壓。因此為避免各電源間互相干擾，設(shè)計中采取了電容濾波措施。

2.3 無線控制模塊電路

NRF24L01 無線通信模塊的通信方式為SPI 通信，該模塊功耗非常低，且對環(huán)境要求相對較小。處于發(fā)射模式時，工作電流僅為9 mA；處于接收模式時，工作電流為12.3 mA。由于此模塊對電源及信號要求較高，所以在供電部分及天線端添加濾波電容。保證信號傳輸?shù)目煽啃?。另外，該芯片天線周圍不能有金屬（敷銅、走線等），NRF24L01 模塊電路如圖2 所示。

圖2 NRF24L01 模塊電路

2.4 MPU6050 傳感器電路

本設(shè)計中的MPU6050 傳感器是整個設(shè)計尤為重要的一部分，相當于人的雙眼，用于獲取當前車體的狀態(tài)，它的準確程度直接決定小車整體的穩(wěn)定性。其中INT 引腳每5 ms 產(chǎn)生一次中斷，將其直接接入單片機IO 口，為程序提供5 ms 間隔的中斷。通過IIC 接口直接輸出經(jīng)過處理的四元數(shù)，無需額外轉(zhuǎn)換，使用起來更加方便，MPU6050 傳感器電路如圖3 所示。

圖3 MPU6050 傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要由MPU6050 芯片、人機交互界面、數(shù)據(jù)采集、電機驅(qū)動等構(gòu)成。軟件部分通過MPU6050 每5 ms 提供的外部中斷執(zhí)行控制函數(shù)。本設(shè)計軟件總體流程如圖4 所示，系統(tǒng)上電后先執(zhí)行初始化。然后進入主循環(huán)。一旦有外部中斷產(chǎn)生，則開始檢測處理，控制電機保持小車平衡，驅(qū)動舵機控制機械臂運動。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié)語

本設(shè)計以STM32F103RCT6 單片機為主控芯片，實現(xiàn)了對小車的平衡控制；且可以用遙控控制小車運動，及機械臂抓取物體的功能。上電后小車保持平衡狀態(tài)，用手輕輕推動小車，車體經(jīng)過晃動后仍能保持平衡狀態(tài)。通過無線遙控發(fā)送前進后退指令控制小車，小車在接收到命令后可以做出正確的響應(yīng)。同時也可用遙控分別控制車上4 個舵機的運動，來抓取物體。經(jīng)過多次反復(fù)的測試，小車平衡性良好，對遙控指令可以及時準確地做出響應(yīng)，整體系統(tǒng)穩(wěn)定性強，具有一定的實際應(yīng)用價值。