楊東澤 孫強 丁韜 賈萱 溫裕鴻 席鵬程 趙昱皓 李德玖

摘要：本項目基于STM32來設(shè)計實現(xiàn)雙輪平衡小車，硬件方面采用STM32F103R6單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，采用MPU6050陀螺儀檢測小車的自身姿態(tài)，采用兩個直流電機和兩路直流電機驅(qū)動器控制平衡小車的前進后退和轉(zhuǎn)速。同時加裝藍牙傳輸模塊將小車數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP上，通過手機APP也可以遙控小車的運行。在軟件方面，平衡小車實時讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)獲取自身姿態(tài)，并與目標姿態(tài)對比后通過PID控制兩輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)小車姿態(tài)的調(diào)整。

1.引言

如今科技發(fā)展不斷進步，但從這些年來講，移動機器人的發(fā)展越來越好，產(chǎn)業(yè)鏈也日漸完善，在生活中我們或多或少可以見到不同形式的機器人的存在。這幾年最受人們關(guān)注的莫過于平衡車了，自動平衡車的各種優(yōu)點讓它迅速成為了一種環(huán)保又舒適的綠色交通代步工具，有望成為以后未來汽車和自行車的代步品。

2.硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由主控制器STM32單片機、電機驅(qū)動模塊、藍牙通訊模塊、直流電源模塊、液晶顯示模塊、傳感器感知模塊和速度測量模塊等部分組成。

控制器采用單片機STM32F429，該單片機使用的內(nèi)核是Cortex M4，含有DSP指令集，它內(nèi)部的SRAM

大小為256KB。該芯片的模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換速度非?？?，并且轉(zhuǎn)換模塊的工作供電電壓很低，內(nèi)部含有8個定時器，可同時處理32位數(shù)據(jù)，I/O端口可以復(fù)用為很多其它的功能，常用的串行接口有USART和SPI通信，該單片機最高的工作頻率可以達到180MHz ， STM32F429單片機總線訪問的速度非?？欤⑶以搯纹瑱C擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以完全滿足本次設(shè)計要求。

顯示模塊主要是將雙輪自平衡小車的運行狀態(tài)實時的顯示到人機交互界面，使我們進一步了解雙輪自平衡小車的運行狀況。顯示模塊采用串口觸摸屏顯示，串口觸摸屏HMI就是將它的一般功能進行封裝，使用者可以通過串口USART與屏幕進行消息的交換，從而滿足用戶的要求，人機交互界面非常友好且操作性良好，用戶可以通過屏幕發(fā)送相應(yīng)的指令來完成相關(guān)操作。

3.自平衡原理與控制策略

由于小車上安裝有六軸傳感器MPU6050，可以檢測到小車x， y，，三軸的傾斜角度和三軸方向的加速度，將所收集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以得到小車所處的狀態(tài)，并且程序是根據(jù)小車所處的不同狀態(tài)而編寫。

（1）靜止時：當(dāng)小車的重心位于電機軸線中心位置的正上方時，此時傳感器MPU6050將采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析得出小車位于00位置，即平衡位置，此時小車靜止。當(dāng)檢測到小車的重心向前傾斜時，則需要小車向前運動來保持小車的平衡狀態(tài);當(dāng)檢測到小車的重心向后傾斜時，則需要小車向后運動來保持小車的平衡狀態(tài)。

（2）前進時：小車略微向后加速，這將傾斜小車的重心，使其稍微向前，然后再使小車在反方向加速，小車就會向前傾斜，同時保持小車處于平衡狀態(tài)，使得小車前進。

（3）后退時：小車的車輪稍微向前加速，這將傾斜小車的重心，使其稍微向后，然后再使小車的兩輪在反方向加速，這將使小車向后傾斜，同時保持小車的平衡，使得小車倒退。

（4）左轉(zhuǎn)時：當(dāng)小車處于前進或者后退并且保持平衡狀態(tài)時，控制小車的左輪以較慢的速度運動、小車的右輪以較快速度運動時，即可使小車向左轉(zhuǎn)。

（5）右轉(zhuǎn)時：當(dāng)小車處于前進或者后退并且保持平衡狀態(tài)時，控制小車的右輪以較慢的速度運動、小車的左輪以較快速度運動時，即可使小車向右轉(zhuǎn)。

經(jīng)過理論分析即可得出小車處于不同狀態(tài)時的控制思路，進而對小車實現(xiàn)不同的控制。

結(jié)論

本次系統(tǒng)設(shè)計采用單片機STM32作為主控制器，對該系統(tǒng)發(fā)送指令，實現(xiàn)控制;傳感器MPU6050模塊用來檢測當(dāng)前小車的傾斜程度，通過傾斜程度來對小車進行控制;顯示模塊用來顯示小車的運行信息;最終小車實現(xiàn)了在不同狀態(tài)下的自平衡。

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