聶茹

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 廣東 廣州 510800)

0 引言

當(dāng)今社會，生活向著智能化、便捷化發(fā)展，兩輪平衡車順應(yīng)時代潮流，成為適合多種場合使用的代步工具。兩輪平衡車具有輕便、節(jié)能環(huán)保、高效、能耗低等特點(diǎn)，因此非常適合在空間狹窄、急轉(zhuǎn)角度大的工作場合作業(yè)。兩輪平衡車已經(jīng)是國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究對象[1-2]。兩輪自平衡車系統(tǒng)集合電路設(shè)計、單片機(jī)、軟件算法編程、自動控制理論等多門學(xué)科的知識，是研究控制算法和傳感器測試的實(shí)驗平臺[3]。因此，對平衡車的控制難度大，控制算法復(fù)雜，對平衡車的研究具有理論研究意義和工程實(shí)踐價值。本文在STM32F103-C8T6微控制器和MPU6050芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

兩輪平衡車硬件系統(tǒng)主要由以下四部分組成：中央控制單元STM32單片機(jī)、姿態(tài)傳感器MPU6050、直流電機(jī)和H全橋電機(jī)驅(qū)動器。系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖，如圖1所示。

系統(tǒng)通過卡爾曼濾波算法對陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,通過計算得到車身姿態(tài)傾角、角速度的最優(yōu)估計值。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖

車身速度、最優(yōu)姿態(tài)角兩個信號將作為反饋量反饋回雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而產(chǎn)生兩路PWM波驅(qū)動電機(jī)前后轉(zhuǎn)動，維持車身的平衡與直立。硬件部分的工作主要分為以下幾個部分。

(1) 主控制器電路。根據(jù)平衡車系統(tǒng)的要求，選用基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片作為主控制器。該芯片具有處理速度快、功率損耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合于雙輪自平衡車系統(tǒng)測量狀態(tài)多、實(shí)時性要求強(qiáng)和擴(kuò)展功能多等控制要求。

(2) 姿態(tài)傳感器電路。選用MPU6050作為傳感器芯片，芯片集成三軸加速度計和三軸陀螺儀。該芯片體積小、功耗低、精度高，與主控制器芯片能夠良好的通信以及傳輸數(shù)據(jù)。

(3) 電機(jī)驅(qū)動電路。通過大功率TB6612芯片的“H”橋電路，驅(qū)動直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

(4) 電源電路。采用12 V鋰電池作為電力來源，電路中的傳感器和控制芯片等都是3.3 V供電，所以選擇通過二級降壓的方法，把12 V電壓通過開關(guān)電源降到5 V，然后再降到3.3 V，為傳感器和控制芯片供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器電路設(shè)計

本系統(tǒng)包括以STM32F103C8T6為核心的控制電路、復(fù)位電路和晶振電路，同時加入SWD接口和用戶指示燈能夠方便程序的調(diào)試。STM32F103C8T6芯片是由2.0 V-3.6 V的直流電壓供電[4]，ARM32位內(nèi)核架構(gòu)。主控電路的時鐘電路采用8 MHz外部晶振作為時鐘源，還包含32.768 KHz的RTC時鐘，可以方便拓展電路。主控芯片采用低電平復(fù)位，當(dāng)主控芯片的復(fù)位引腳NRST按下時，引腳接地，芯片復(fù)位。為了簡化接口電路，采用SWD下載調(diào)試模式，SWD只需兩個IO口即可實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試。3.3 V的用戶指示燈用來指示電源狀態(tài)，可以通過觀察LED指示燈狀態(tài)，清楚判別核心板上電是否正常，從而防止芯片燒毀。

2.2 電源電路設(shè)計

小車系統(tǒng)共使用兩種電壓，5 V和3.3 V,具體設(shè)計圖，如圖2—圖4所示。

圖2 5 V傳感器供電電路圖

圖3 主控CPU供電電路圖

圖4 3.3 V傳感器供電電路圖

電源部分采用12 V鋰電池作為輸入，分三路穩(wěn)壓，其中7805芯片為5 V傳感器供電，并為后級AMS1117芯片提供電源輸入端。AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成過熱保護(hù)、限流電路，工作溫度范圍為-40 ℃—125 ℃。AMS117芯片有兩個電壓輸出版本，固定輸出版本和可調(diào)版本，本系統(tǒng)設(shè)計使用的是固定輸出的3.3 V版本。因此，5 V電壓經(jīng)過AMS117芯片得到3.3 V的電壓單獨(dú)給主控CPU供電，另外一路經(jīng)過AMS117芯片得到的3.3 V給傳感器、電機(jī)驅(qū)動芯片供電。

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

系統(tǒng)選用信濃公司42 mm的步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的步距角為1.8°，選用東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的TB6612直流電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)。TB6612具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，因此可以同時驅(qū)動兩個電機(jī)[5]。TB6612的外圍電路簡單，只要外接電源濾波電容即可驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動電路，如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路圖

通過控制AIN1、AIN2、PWMA便可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

2.4 姿態(tài)傳感電路設(shè)計

姿態(tài)傳感電路包括MPU6050供電電路和濾波電路。MPU6050是一個六軸傳感器芯片，集成有三軸加速度計，三軸陀螺儀體積小、成本和功耗低、精度高[6]。本設(shè)計方案中MPU6050與主控制芯片之間使用IIC協(xié)議交互通信、傳輸數(shù)據(jù)[7]。MPU6050姿態(tài)傳感電路，如圖6所示。

圖6 MPU6050姿態(tài)傳感電路圖

2.5 液晶顯示電路設(shè)計

對于平衡車系統(tǒng)來說，顯示電路是需要的，可以顯示車體傾角、當(dāng)前運(yùn)行速度和電池電量等信息，給駕駛?cè)酥庇^的車體狀態(tài)當(dāng)前信息，將極大的方便駕駛和維護(hù)方面的工作。設(shè)計中采用1.3寸OLED顯示屏，集成有SSH1106驅(qū)動芯片，具有8 位并行數(shù)據(jù)接口，可直接與8位微處理器相連[8]。液晶顯示電路圖，如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分基于STM32單片機(jī)硬件平臺，主要實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車的直立平衡與簡單行走，軟件編程語言使用C語言，C語言簡單、可讀性強(qiáng)、容易修改。

3.1 軟件流程圖

該系統(tǒng)的軟件流程圖，如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

為了保證穩(wěn)定的控制周期，這里用了一個15 m/s的定時中斷，確保穩(wěn)定的控制周期。系統(tǒng)上電后，首先初始化各個功能模塊和外設(shè)等，初始化中，為了防止初始過程中模塊的寫寄存器被中斷打斷，所以在為各個模塊、外設(shè)等初始化前，要先關(guān)閉控制器的所有中斷，之后開始對控制器內(nèi)部的各個模塊和外設(shè)進(jìn)行初始化，一切就緒后，開始進(jìn)行15 m/s的定時中斷，結(jié)束初始化的過程。每經(jīng)過15 m/s會自動跳轉(zhuǎn)到定時中斷函數(shù)里，進(jìn)入中斷函數(shù)后，首先讀取MPU6050傳感器的數(shù)據(jù)，獲得數(shù)據(jù)后主控芯片將計算出車體的傾斜角度、角速度等姿態(tài)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行卡爾曼濾波得到精確的數(shù)值，根據(jù)精確的姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出合適的PWM信號從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，保持車體的直立平衡、簡單的直立行走。

3.2 姿態(tài)傳感檢測軟件設(shè)計

姿態(tài)傳感檢測是兩輪自平衡車系統(tǒng)的直立平衡中很重要的，因為系統(tǒng)是一個動態(tài)并且非線性的系統(tǒng)，需要不斷地采集姿態(tài)的相關(guān)信息，及時調(diào)整姿態(tài)維持平衡。因此，系統(tǒng)選擇MPU6050首先得到車體的傾斜角、角速度，再進(jìn)行卡爾曼濾波融合得到更精確的信息。

3.3 卡爾曼濾波軟件設(shè)計

卡爾曼濾波算法用在機(jī)器人智能控制、衛(wèi)星導(dǎo)航和計算機(jī)圖像處理領(lǐng)域中，MPU6050姿態(tài)傳感器的陀螺儀測得的角速度通過數(shù)學(xué)積分運(yùn)算得到的角度，總是會存在微小的偏差和漂移變化所造成的累積誤差，并且誤差會隨時間的增加逐漸增大，到最后無法輸出正確并且可以控制的角度信號，而使用卡爾曼濾波算法融合得到的角度值則非常穩(wěn)定?？柭鼮V波算法的作用是根據(jù)上一次狀態(tài)預(yù)測出當(dāng)前狀態(tài)，再與實(shí)際測得的狀態(tài)進(jìn)行比較，從而修正預(yù)估的當(dāng)前的狀態(tài)?？柭鼮V波的使用，能夠有效防止噪點(diǎn)的出現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而糾正實(shí)際測量得到的曲線[9-10]。

3.4 PID軟件設(shè)計

當(dāng)雙輪平衡車車體傾斜時，系統(tǒng)采用PID算法進(jìn)行控制，通過對車體角度、車體角速度、車體速度和車體位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，輸出PWM信號驅(qū)動電機(jī)，從而能夠保持車體的平衡。角度與角速度數(shù)據(jù)融合及輸出控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖9所示。

圖9 角度與角速度數(shù)據(jù)融合及輸出控制框圖

其中，Kd,Kp,Ksp,Kis是PID控制器的相關(guān)參數(shù)。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)MPU6050姿態(tài)傳感器的擺放位置，將陀螺儀的x軸的數(shù)據(jù)作為角速度進(jìn)行計算，加速度計的y軸的數(shù)據(jù)作為角度進(jìn)行計算。主控制器單片機(jī)分別讀取MPU6050陀螺儀的角速度值Gyro_x和加速度計的角度值A(chǔ)ccle_y，將得到MPU6050傳感器的10組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 角速度、角度零點(diǎn)偏移

對10組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計算得到角速度、角度的零點(diǎn)偏移值大約是8LSB、1 100LSB。

以上10組數(shù)據(jù)可以通過轉(zhuǎn)換成實(shí)際的角速度、角度，如式(1)和式(2)。

Gyro_x=(Gyro_x-8)/16.4

(1)

(2)

5 總結(jié)

本文提出了兩輪自平衡車系統(tǒng)的一種設(shè)計方案，并設(shè)計了以STM32F103C8T6為核心的系統(tǒng)硬件電路和以PID控制器為核心的軟件算法，成功組裝成樣機(jī)。樣機(jī)經(jīng)過多次測試，具有穩(wěn)定、實(shí)時的角度和角速度信號，能夠保持車體自我平衡以及簡單的直立行走，因此，該系統(tǒng)具有較大的研究價值和實(shí)用意義。