摘要：隨著諸如電池技術(shù)、自控控制理論等技術(shù)的發(fā)展，各個學科之間相互滲透與融合。很多自動化產(chǎn)品往往涉及多個學科的融合，諸如移動便攜式兩輪平衡車，便是一個融合多學科的設備，在逐漸走進人們的日常生活。文章介紹了一種基于MM32的兩輪平衡車控制系統(tǒng)設計，并從硬件設計和軟件設計兩方面具體闡述兩輪平衡車的實現(xiàn)。該設計主要以MPU6050作為兩輪平衡車的姿態(tài)檢測模塊來調(diào)整平衡傾角的大小，并選用單片機MM32F3277G9P作為主控芯片驅(qū)動電機產(chǎn)生前進或者后退的加速度來維持小車的平衡的狀態(tài)，從而實現(xiàn)兩輪平衡車直立、加速前進和轉(zhuǎn)彎等基本功能。

關鍵詞：平衡車；MM32；姿態(tài)檢測；直立

中圖分類號：TP273+.2文獻標志碼：A

0 引言

隨著諸如電池技術(shù)、自控控制理論等技術(shù)的發(fā)展，移動便攜式機械設備逐漸走進日常生活。其中，兩輪車由于輕便及反應敏捷，越來越受歡迎［1］。但由于兩輪平衡車具有不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合等特性，兩輪平衡車的轉(zhuǎn)彎角度有較大的偏差。在實際使用過程中，傳感器信號的采集和姿態(tài)的采集不正確，導致電機輸出轉(zhuǎn)速過大或過小，繼而導致其轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)較大的偏差。

其次，平衡車無法準確識別行進過程中的路障。兩輪平衡車在行進過程中遇到障礙物時，不能及時作出反應。在障礙物處行駛時，需要根據(jù)障礙物的特征進行判斷。兩輪平衡車在行進過程中遇到的障礙物種類繁多，包括磚墻、水泥塊、樹枝、輪胎等。

由于上述問題，本文在進行控制系統(tǒng)設計時，考慮到傳感器、自動控制等相關技術(shù)，采用“動態(tài)穩(wěn)定”技術(shù)作為技術(shù)支持，以MM32為核心，通過陀螺儀和加速度傳感器來檢測車體的姿態(tài)及運動狀態(tài)［2］，通過得到系統(tǒng)恢復平衡所需的實時控制量，然后通過相關算法從而精確地驅(qū)動電機進行相對應的調(diào)整，使得小車維持一種“動態(tài)平衡”［3］，并結(jié)合攝像頭來識別路障。該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括電機、電源、陀螺儀和加速度傳感器等；軟件部分包括單片機程序和圖像采集處理程序。經(jīng)過系統(tǒng)設計，各個模塊能夠正常運行并協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了兩輪平衡車直立、加速前進和轉(zhuǎn)彎等功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)的硬件部分包括了MM32控制模塊、電源模塊、MPU6050傳感器模塊、編碼器模塊、攝像頭和紅外線模塊、電動機的驅(qū)動模塊等。傳感器的信息采集是一個關鍵的步驟。利用陀螺儀和加速度計，可以獲得小車的姿態(tài)和加速度信息，從而對小車的傾角和方向進行計算。之后，再采用與之相適應的控制策略，將計算出的控制信號輸出到電機驅(qū)動模塊，從而使小車保持平衡并繼續(xù)前進。其系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

1.1 單片機模塊

本設計系統(tǒng)選用MM32F3277G9P作為核心控制器。該控制器以ArmCortex-M3為內(nèi)核，是一款高性能的MM32系列單片機，在時鐘控制方面表現(xiàn)出很好的性能。其時鐘系統(tǒng)的最高工作頻率達到了120 MHz，可以滿足處理復雜數(shù)據(jù)的需要。

MM32F3277G9P的通信接口由3個 USART ， 3個SPI 、2個IIC、2個CAN、1個 USB端口組成。該單片機的通信接口具有以下特征：支持 SPI總線通信，可以直接驅(qū)動外部設備；支持 USB接口通信，可以直接驅(qū)動外部設備。所有通信接口都是標準的串口。MM32F3277G9P具有14個定時器，其中4個是通用定時器，10個是高級定時器，能夠適應各種需要。該系統(tǒng)適用于 -40℃ 至105℃ 的環(huán)境。

1.2 電源模塊

本系統(tǒng)采用11.4 V/3300 mAH可充電鋰電池作為電源，驅(qū)動電機工作。平衡車系統(tǒng)主控等電路工作電壓為5 V，MPU6050傳感器工作電壓為3.3 V。在整個設計過程中，由于不想占用更多的 PCB面積，需要使用固定輸出穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓，但是由于平衡車系統(tǒng)需要頻繁充電，所以需要選擇一款內(nèi)部帶有限流和短路保護的3.3 V固定輸出穩(wěn)壓器。經(jīng)過多款穩(wěn)壓器的比較，最終選擇了SPX3810M作為本設計中的3.3 V固定輸出穩(wěn)壓器。SPX3810M是一款內(nèi)部帶有限流和短路保護的3.3 V固定輸出穩(wěn)壓器。它工作電壓范圍為4.5 V～28 V，靜態(tài)電流非常低，為65 μA。該設計中的低功耗應用需求，可以將5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V，給MPU6050芯片供電［4］。

1.3 平衡傳感器模塊

平衡車的姿態(tài)檢測主要采用MPU6050傳感器。MPU6050是一款6軸運動處理芯片，可以同時測量加速度和角速度，通過內(nèi)部處理器進行數(shù)字信號處理。MPU6050內(nèi)部集成了3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器，其中3軸陀螺儀能夠進行±250°/s、±2 000°/s 4種模式的測量，3軸加速度傳感器則可以進行±500°/s的測量。本設計通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，處理器可以對數(shù)據(jù)進行分析，然后顯示出3個加速度的數(shù)值［5］。

3個軸的加速度傳感器的測量范圍分別為：±2g、±4g、±8g、±16g。在3個軸上，本設計可以對小車進行運動和姿態(tài)的測量。

該芯片本身帶有一個1 024位的先進先出寄存器，用來儲存來自陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，以及對串行數(shù)據(jù)進行高速緩存。該芯片內(nèi)置了DMP（Digital Machine Processor）硬件加速引擎，并將完整的融合計算數(shù)據(jù)通過主要的 IIC接口輸出到應用端。

1.4 攝像頭和紅外接收盤

為了能夠充分地識別行進過程中的道路障礙，本研究設計了攝像頭電路。在攝像頭的安裝上，為了能夠讓攝像頭固定在一定高度，本設計采用了熱熔膠將攝像頭固定在一定高度，然后用熱熔膠將攝像頭粘住。對于每個攝像頭的仰角也進行了適當?shù)卣{(diào)整。其調(diào)整原則是能夠充分地識別道路障礙。在攝像頭固定的桿子上，本設計采用了碳纖維管作為安裝攝像頭的材料，并用底座與支架將攝像頭固定下來。

另外，為了實現(xiàn)行進過程中識別道路障礙并尋找燈源的功能，本方案設計了1個融合攝像頭的三端16路紅外接收，用FPC軟排線與主控板連接，將16路紅外接收放置于攝像頭上方。16路紅外接收放置在攝像頭上方，既能夠讓攝像頭采集到的數(shù)據(jù)更準確，同時也使整個系統(tǒng)更加美觀。

為了進一步驗證小車整體的平衡性，本研究在實驗室的模擬道路上設計了路障和燈源，通過觀察小車的識別路障和滅燈情況，從而觀察小車的直、轉(zhuǎn)彎避障和加速行進滅燈。其中，路障和燈源的識別主要通過龍邱的LQ9V03攝像頭和紅外盤來實現(xiàn)，首先使用攝像頭拍照處理，經(jīng)過軟件算法處理以及二值化處理，然后得出路障和燈源的位置，最后完成避障和滅燈。接收盤外觀如圖2所示。

1.5 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動電路采用BTN7960雙路全橋大電流驅(qū)動芯片，其電源電壓范圍為5.5 V～28 V，工作溫度為 -40 ℃～150 ℃。該芯片工作電壓范圍寬，可根據(jù)實際需要配置工作電壓。它可以控制2個外部 MOSFET管（其中，一個控制電機的方向，另一個控制電機的速度），通過控制這兩個外部 MOSFET管將電機的方向和速度進行控制。同時，采用光耦隔離，以保護單片機不被功率部分的大電流所損壞。在該模塊中，電機驅(qū)動電路由2個光耦芯片和4個電機組成。單片機通過輸出4路PWM進而控制2個電機以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

1.6 編碼器

本文采用了龍邱的迷你mini1024線編碼器。在編碼器上設計了一個光電傳感器，編碼盤上刻有一系列的透明和不透明的突起點，當編碼盤旋轉(zhuǎn)時，光電傳感器會讀取并轉(zhuǎn)換這些突起點所產(chǎn)生的光信號，最終轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角和方向信號。本編碼器采用增量式測速，直接方向輸出，兼容正交解碼。

由于本編碼器只需一塊主控MM32便能夠簡單地實現(xiàn)2個電機的同時測速。在實際的使用過程中，本設計發(fā)現(xiàn)本編碼器的安裝較為簡單，只需要將編碼器固定于配套的編碼器支架上即可。本編碼器采用增量式測速，所以本設計可以將編碼器設置為相同的精度。為了盡量使得傳動齒輪之間保持平行，在編碼器中本設計盡量將齒輪間距調(diào)小一些，盡可能使得傳動齒輪之間保持平行。這樣可以使得傳動部分更加輕松、流暢。本編碼器長時間使用不會出現(xiàn)過大噪聲和丟數(shù)情況。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)時鐘、 GPIO、 IIC、定時器、正交解碼、串口和MPU6050及各模塊相應的函數(shù)進行初始化，然后進入等待接收指令的循環(huán)狀態(tài)。在循環(huán)中，調(diào)用MPU6050傳感器模塊子程序，對小車的傾斜角度進行檢測和采集，然后根據(jù)采集到的信息利用角度控制函數(shù)進行平衡控制。為了使系統(tǒng)能夠有序地執(zhí)行各個子模塊，在主程序中，傳感器信號的采集、電機轉(zhuǎn)速的讀取、小車直立控制、小車方向控制等放入一個定時器中斷服務程序中完成，用一個全局變量進行計數(shù)，則可實現(xiàn)系統(tǒng)各個子模塊有序地執(zhí)行。為了使小車能夠正常穩(wěn)定地行駛，微處理器不斷地采集小車的姿態(tài)及運動狀態(tài)，通過中斷來判斷小車是否需要執(zhí)行加速、減速、停止和轉(zhuǎn)彎等基本操作。程序流程如圖3所示。

3 實驗結(jié)果

在單片機MM32F3277G9P的控制下，小車自身通過電機的驅(qū)動作用和其他模塊的協(xié)調(diào)作用，實現(xiàn)了小車自身的平衡。小車直立狀態(tài)如圖4所示。

4 結(jié)語

本文主要是以MM32作為主控芯片，進行了兩輪平衡車控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，對于兩輪平衡車的硬件和軟件進行了相關的構(gòu)思和設計。在實踐過程中，小車各模塊能夠正常工作，對小車的狀態(tài)采集實時性好。本設計在小車直立、加速前進和轉(zhuǎn)彎等基本功能的實現(xiàn)過程中，取得了很好的效果。

參考文獻

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Design of two-wheel balancing control system based on MM32

LiangJiayao， WuZiyong*， ZhouWenjun， LiQingnian

（Nanning University， Nanning 530200， China）

Abstract：With the development of technologies such as battery technology and control theory， different disciplines are infiltrating and merging with each other. Many automation products often involve the integration of multiple disciplines， such as mobile and portable two-wheel balancing cars， which are gradually entering people’s daily lives. This paper introduces a two-wheel balancing car control system design based on MM32， and specifically elaborates the implementation of the two-wheel balancing car from the aspects of hardware design and software design. The design mainly uses MPU6050 as the attitude detection module of the two-wheel balancing car to adjust the balance angle， and selects the MCU MM32F3277G9P as the main control chip to drive the motor to produce acceleration for forward or backward motion to maintain the balance state of the car， thus realizing the basic functions of the two-wheel balancing car such as standing upright， accelerating forward and turning.

Key words： balancing car; MM32; attitude detection; upright