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(gè)學(xué)科之間相互滲透與融合。很多自動(dòng)化產(chǎn)品往往涉及多個(gè)學(xué)科的融合，諸如移動(dòng)便攜式兩輪平衡車，便是一個(gè)融合多學(xué)科的設(shè)備，在逐漸走進(jìn)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(shè)計(jì)，并從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面具體闡述兩輪平衡車的實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)主要以MPU6050作為兩輪平衡車的姿態(tài)檢測(cè)模塊來調(diào)整平衡傾角的大小，并選用單片機(jī)MM32F3277G9P作為主控芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或者后退的加速度來維持小車的平衡的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)兩輪平衡車直立、加速前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎等基本功能。

關(guān)鍵詞：平衡車；MM32；姿態(tài)檢測(cè)；直立

中圖分類號(hào)：TP273+.2文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)便攜式機(jī)械設(shè)備逐漸走進(jìn)日常生活。其中，兩輪車由于輕便及反應(yīng)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(qiáng)耦合等特性，兩輪平衡車的轉(zhuǎn)彎角度有較大的偏差。在實(shí)際使用過程中，傳感器信號(hào)的采集和姿態(tài)的采集不正確，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速過大或過小，繼而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)較大的偏差。

其次，平衡車無法準(zhǔn)確識(shí)別行進(jìn)過程中的路障。兩輪平衡車在行進(jìn)過程中遇到障礙物時(shí)，不能及時(shí)作出反應(yīng)。在障礙物處行駛時(shí)，需要根據(jù)障礙物的特征進(jìn)行判斷。兩輪平衡車在行進(jìn)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(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到傳感器、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，采用“動(dòng)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(cè)車體的姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［2］，通過得到系統(tǒng)恢復(fù)平衡所需的實(shí)時(shí)控制量，然后通過相關(guān)算法從而精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整，使得小車維持一種“動(dòng)態(tài)平衡”［3］，并結(jié)合攝像頭來識(shí)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(jī)、電源、陀螺儀和加速度傳感器等；軟件部分包括單片機(jī)程序和圖像采集處理程序。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊能夠正常運(yùn)行并協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車直立、加速前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎等功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊等。傳感器的信息采集是一個(gè)關(guān)鍵的步驟。利用陀螺儀和加速度計(jì)，可以獲得小車的姿態(tài)和加速度信息，從而對(duì)小車的傾角和方向進(jìn)行計(jì)算。之后，再采用與之相適應(yīng)的控制策略，將計(jì)算出的控制信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而使小車保持平衡并繼續(xù)前進(jìn)。其系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

1.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)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(jī)，在時(shí)鐘控制方面表現(xiàn)出很好的性能。其時(shí)鐘系統(tǒng)的最高工作頻率達(dá)到了120 MHz，可以滿足處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的需要。

MM32F3277G9P的通信接口由3個(gè) USART ， 3個(gè)SPI 、2個(gè)IIC、2個(gè)CAN、1個(gè) USB端口組成。該單片機(jī)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(dòng)外部設(shè)備；支持 USB接口通信，可以直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。所有通信接口都是標(biāo)準(zhǔn)的串口。MM32F3277G9P具有14個(gè)定時(shí)器，其中4個(gè)是通用定時(shí)器，10個(gè)是高級(jí)定時(shí)器，能夠適應(yīng)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(dòng)電機(jī)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(gè)設(shè)計(jì)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(jìn)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(hù)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(shè)計(jì)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(hù)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(shè)計(jì)中的低功耗應(yīng)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(cè)主要采用MPU6050傳感器。MPU6050是一款6軸運(yùn)動(dòng)處理芯片，可以同時(shí)測(cè)量加速度和角速度，通過內(nèi)部處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(jìn)行±250°/s、±2 000°/s 4種模式的測(cè)量，3軸加速度傳感器則可以進(jìn)行±500°/s的測(cè)量。本設(shè)計(jì)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，處理器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后顯示出3個(gè)加速度的數(shù)值［5］。

3個(gè)軸的加速度傳感器的測(cè)量范圍分別為：±2g、±4g、±8g、±16g。在3個(gè)軸上，本設(shè)計(jì)可以對(duì)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的測(cè)量。

該芯片本身帶有一個(gè)1 024位的先進(jìn)先出寄存器，用來儲(chǔ)存來自陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，以及對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算數(shù)據(jù)通過主要的 IIC接口輸出到應(yīng)用端。

1.4 攝像頭和紅外接收盤

為了能夠充分地識(shí)別行進(jìn)過程中的道路障礙，本研究設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)于每個(gè)攝像頭的仰角也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。其調(diào)整原則是能夠充分地識(shí)別道路障礙。在攝像頭固定的桿子上，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)行進(jìn)過程中識(shí)別道路障礙并尋找燈源的功能，本方案設(shè)計(jì)了1個(gè)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(zhǔn)確，同時(shí)也使整個(gè)系統(tǒng)更加美觀。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證小車整體的平衡性，本研究在實(shí)驗(yàn)室的模擬道路上設(shè)計(jì)了路障和燈源，通過觀察小車的識(shí)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(jìn)滅燈。其中，路障和燈源的識(shí)別主要通過龍邱的LQ9V03攝像頭和紅外盤來實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7960雙路全橋大電流驅(qū)動(dòng)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(shí)際需要配置工作電壓。它可以控制2個(gè)外部 MOSFET管（其中，一個(gè)控制電機(jī)的方向，另一個(gè)控制電機(jī)的速度），通過控制這兩個(gè)外部 MOSFET管將電機(jī)的方向和速度進(jìn)行控制。同時(shí)，采用光耦隔離，以保護(hù)單片機(jī)不被功率部分的大電流所損壞。在該模塊中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由2個(gè)光耦芯片和4個(gè)電機(jī)組成。單片機(jī)通過輸出4路PWM進(jìn)而控制2個(gè)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(diǎn)，當(dāng)編碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電傳感器會(huì)讀取并轉(zhuǎn)換這些突起點(diǎn)所產(chǎn)生的光信號(hào)，最終轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角和方向信號(hào)。本編碼器采用增量式測(cè)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)2個(gè)電機(jī)的同時(shí)測(cè)速。在實(shí)際的使用過程中，本設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)本編碼器的安裝較為簡(jiǎn)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(cè)速，所以本設(shè)計(jì)可以將編碼器設(shè)置為相同的精度。為了盡量使得傳動(dòng)齒輪之間保持平行，在編碼器中本設(shè)計(jì)盡量將齒輪間距調(diào)小一些，盡可能使得傳動(dòng)齒輪之間保持平行。這樣可以使得傳動(dòng)部分更加輕松、流暢。本編碼器長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)出現(xiàn)過大噪聲和丟數(shù)情況。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、 GPIO、 IIC、定時(shí)器、正交解碼、串口和MPU6050及各模塊相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)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(duì)小車的傾斜角度進(jìn)行檢測(cè)和采集，然后根據(jù)采集到的信息利用角度控制函數(shù)進(jìn)行平衡控制。為了使系統(tǒng)能夠有序地執(zhí)行各個(gè)子模塊，在主程序中，傳感器信號(hào)的采集、電機(jī)轉(zhuǎn)速的讀取、小車直立控制、小車方向控制等放入一個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成，用一個(gè)全局變量進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單片機(jī)MM32F3277G9P的控制下，小車自身通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用和其他模塊的協(xié)調(diào)作用，實(shí)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(jìn)行了兩輪平衡車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于兩輪平衡車的硬件和軟件進(jìn)行了相關(guān)的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。在實(shí)踐過程中，小車各模塊能夠正常工作，對(duì)小車的狀態(tài)采集實(shí)時(shí)性好。本設(shè)計(jì)在小車直立、加速前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎等基本功能的實(shí)現(xiàn)過程中，取得了很好的效果。

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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