張明波 王磊 黃鋆 李知承 吳貴芳

摘 要：主要介紹由STM32為核心部件設(shè)計(jì)形成的智能自平衡立方體系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別是主控模塊、電源模塊、帶動(dòng)量輪電機(jī)模塊和MPU6050模塊，并通過(guò)姿態(tài)解算與電機(jī)控制程序，配合自抗擾控制算法實(shí)現(xiàn)立方體單邊自動(dòng)平衡，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠滿足自平衡的需求，且成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：自平衡立方體，動(dòng)量輪，模塊設(shè)計(jì)

1引言

目前控制領(lǐng)域的物體自平衡是單片機(jī)開(kāi)發(fā)的重要應(yīng)用之一，且取得了顯著的成果。一般的自平衡項(xiàng)目選擇開(kāi)發(fā)平衡小車，使用加速度傳感器、傾角傳感器、超聲波傳感器、電機(jī)控制等模塊協(xié)同配合，通過(guò)車整體的前后運(yùn)動(dòng)達(dá)到自平衡的目的。本次設(shè)計(jì)的自平衡立方體在包含加速度傳感器、傾角傳感器、一般電機(jī)模塊外，額外使用了動(dòng)量輪作為立方體平衡的動(dòng)力來(lái)源，取代平衡小車整體移位的平衡方式，采用角動(dòng)量傳遞保持自身平衡。

該系統(tǒng)主要包括四大模塊，分別是主控模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和MPU6050模塊。

2系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1主控模塊

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路，基于使用Cortex-M3內(nèi)核，是一個(gè)32位處理器內(nèi)核，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問(wèn)并行不悖，可以滿足自平衡立方體的控制需求。

2.2電源模塊

電源模塊方塊采用12V航模電池作為初始電源，經(jīng)LM2596T芯片轉(zhuǎn)換后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓輸出，為后續(xù)的各個(gè)模塊供電

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。它無(wú)需外加散熱片，外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利于減小系統(tǒng)尺寸。對(duì)于PWM信號(hào)輸入頻率范圍，高達(dá)100kHz的頻率更是足以滿足我們大部分的需求。AO1和AO2分別接到電機(jī)的+和-。然后通過(guò)PWMA、AIN2、AIN1控制電機(jī)。其中PWMA接到單片機(jī)的PWM引腳，一般10Khz的PWM即可，并通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)僅使用其中一路驅(qū)動(dòng)。

2.4 MPU6050模塊

MPU6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問(wèn)題，減少了大量的封裝空間。芯片也包含豐富的軟件封裝庫(kù)，開(kāi)發(fā)較簡(jiǎn)單。

3系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用自抗擾控制算法，該算法是以系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)被控輸出和上一步計(jì)算出的控制量為其輸入，確定出新的控制量的控制方法，由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋構(gòu)成。自抗擾的機(jī)理在于將作用于被控對(duì)象的所有不確定因素歸結(jié)為擾動(dòng)，利用對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償，如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)了一種自平衡立方體，從硬件、軟件以及算法分別進(jìn)行研究，通過(guò)姿態(tài)解算與PWM電機(jī)控制程序，配合自抗擾控制算法實(shí)現(xiàn)立方體單邊自動(dòng)平衡。本設(shè)計(jì)成本較低，具有較好的人機(jī)交互特性，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：張明波（2000.04-），男，漢族，山西長(zhǎng)治人，本科生。

河南科技大學(xué)SRTP項(xiàng)目基金支持：2021094

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