两轮平衡小车说明书

1、电气电子工程学院自主创新作品两轮平衡小车摘 要两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过dvr8800控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过2.4G模块无线通讯进行遥控来控制小车运行状态。关键词：智能小车；单片机；陀螺仪。目录一前言4一两轮平衡车的平衡原理

2、42.1 平衡车的机械结构42.2 两轮车倾倒原因的受力分析52.3 平衡的方法5三系统方案分析与选择论证63.1 系统方案设计63.1.1 主控芯片方案63.1.2 姿态检测传感器方案63.1.3 电机选择方案73.2 系统最终方案7四主要芯片介绍和系统模块硬件设计84.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）84.2.陀螺仪传感器84.3TB661294.4编码器94.5. 主控电路94.6 电机驱动电路10五系统软件设计115.1 PID概述125.2 数字PID算法135.3 PID控制器设计14六硬件电路15七制作困难15八结论15九参 考 文 献16一前言应用意义。自平衡车巧

3、妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能的提供者，载重越大，行驶动能也就越大，具有环保的特点(胡春亮等，2007)。驾驶者不必担心掌握平衡，车体自身的平衡稳定性，使得原本由于平衡能力障碍而无法骑自行车的人群也同样可以驾驭。车身小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业。自平衡车的种种优点使其可以作为一种快速、环保、安全、舒适、小巧灵活的绿色交通工具，是未来汽车和自行车的替代品，其市场的广阔性与经济效益不言而喻。理论研究意义。自平衡车，在重力作用下车体姿态本征不稳定，需要电机的控制来维持姿态的平衡，通过电机驱动转动车轮，传感器、软件、微处理器及车体机械装置整体协调控制电

4、动车平衡，是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合复杂非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给控制理论提出了很大的挑战，具有较强的理论研究价值。一 两轮平衡车的平衡原理2.1 两轮车倾倒原因的受力分析两轮车是一个高度不稳定系统，在重力作用下车体姿态本征不稳定，致使在没有外加调控下必然倾倒的现象(张三川，2011)。其受力如图2所示。图2 平衡车受力分析图理想状态下，当M(车体重力)的方向与H(车轮支持力)的方向相差180°时，系统此时受力平衡，可以达到稳定不倒的状态，角度为0°。但自然界存在各式各样的干扰，角度总不为0，只要产生角，即使角度很小，

5、M的方向与H的方向亦产生了角度，合力不为0，根据牛顿运动定律可知，角度将越来越大，直至车体倾倒在地上。2.2 平衡的方法从以上分析可得，导致车体倾倒的最大因素是角度的产生，因此，欲使小车平衡，需要消除或者将角度控制在一个足够小的范围内。其整体控制环路图3所示。图3 小车平衡原理流程图消除角度的有效方法，是通过电机的转动，带动车体下部的移动，以保持与车体上部在一水平垂直线上。三系统方案分析与选择论证3.1 系统方案设计3.1.1 主控芯片方案方案一：采用意法半导体(ST)公司的STM32单片机作为主控芯片。此芯片是以ARM的Cortex-M系列为内核的单片机，相对其他单片机，外设丰富，主频高，价

6、格便宜，有专门的软件库，操作简单，调试方便，低功耗。强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC(模数转换)和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。性价比低。考虑到此系统的复杂度，需要与传感器进行IIC通讯，输出灵活可控制的PWM信号，以及进行大量的数学运算。从性能和价格上综合考虑选择方案一，即用STM32作为本系统的主控芯片，由于外设比较简单，只需要IIC和PW

7、M通道，因此具体型号定位为STM32RBT6。3.1.2 姿态检测传感器方案方案一：使用加速度传感器进行倾角。重力加速度传感器(g-sensor)能过输出以其芯片为中心的三轴加速度，通过这三个轴的重力加速度便可以计算出芯片的倾角，即车体的倾角。该方案的优点是重力加速度的静态性能很好，在车体静态下能测出准确稳定的倾角，而在动态下，三轴加速度各轴会受到其它加速度的影响，导致其数据并不稳定可靠。方案二：使用陀螺仪传感器进行测量。陀螺仪传感器能输出围绕以芯片为中心的三个轴的角速度，通过读角速度的积分，即可得出倾角。该方案的优点是陀螺仪的动态性能很好，在动态下测出的角速度没有太多的混杂成分，缺点是陀螺仪

8、具有静态漂移，即静态下，陀螺仪仍然会输出数值，而积分却一直在进行，因此静态时，测出来的角度并不是0°。方案三：加速度传感器与陀螺仪传感器结合，通过融合算法，提取出加速度传感器的静态效果和陀螺仪的动态效果。优点是能测出准确稳定的倾角，但融合算法比较复杂。综上考虑，由于准确稳定的倾角正是本文要讨论的话题，因此最终选择方案三，即加速度传感器与陀螺仪传感器数据融合测量倾角。并为了简化电路，最终选择了均为IIC接口的陀螺仪传感器L3G4200和加速度传感器ADXL345。3.1.3 电机选择方案方案一：步进电机。步进电机的选择角度正比于脉冲数，有较宽的调速范围，可以采用开环方式控制；步进电机有

9、较大的输出转矩；有优秀的起制动性能；控制精度较高，误差不会累积。但是步进电机步距角固定，分辨率缺乏灵活性，而且步进驱动时容易造成车体震荡，不利于小车的稳定。步进电机虽然可以使用细分驱动方式克服上述缺点，但是细分驱动电路结构复杂，而且功耗增大不适合用于电池供电的应用上。方案二：直流有刷电机。直流有刷电机具有机械特性硬，响应速度快，调速范围宽的特点，满足两轮自平衡小车对灵敏性、快速性等要求，虽然电机的电刷会是电机的寿命缩短，还会引发电磁干扰。但是由于本设计负载较轻，换向器和电刷的损耗较低。小车采用多层机械结构，电机驱动电路与其他电路分离，有效降低电磁干扰。综上所述，本设计使用两个6V带有减速齿轮的

10、直流有刷电机驱动两轮自平衡小车。3.2 系统最终方案使用STM32RBT6为主控芯片，通过IIC接口读取陀螺仪传感器L3G4200和加速度传感器ADXL345的数据，再将两者数据融合测出小车的姿态，最终通过PID输出PWM电机控制信号，由电机驱动完成对电机的控制。此外，为了调试方便，除了设计了上述给模块外，还扩展了JLINK接口，使用的是SWD模式，用于仿真调试，同时扩展了串口电路，在系统运行时将需要观察的数据通过串口传输到电脑上，以记录数据和绘出数据波形，查看滤波和PID效果。系统方框图如图4所示。图4系统方框图四主要芯片介绍和系统模块硬件设计4.1.STM32单片机简介（stm32rbt6

11、）主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM公司最新生产的CortexM3架构，最高工作频率可达72MHz，256K的程序存储空间、48K的RAM，8个定时器计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN、两个和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I0端口。STM32单片机要求2.03.6V的操作电压(VDD)，本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。4.2.陀螺仪传感器陀螺仪可以用来测量物体的

12、旋转角速度。本设计选用MPU-6050。MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢

13、速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上1024 字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 仅MPU-6000 可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。芯片尺寸4³

14、;4³0.9mm，采用QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。关于电源，MPU-60X0 可支持VDD 范围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。4.3TB6612 由于TB6612相对于传统的L298N效率上提高很多体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热，所以我们设计的时候选择了这款芯片。4.4编码器编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为

15、可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。4.5. 主控电路本设计的两轮自平衡小车采用STM32F103R8单片机为主控芯片。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。ST

16、M32F103R8具有以下特点：采用ARM 32位Cortex-M3内核，最高时钟频率72MHz，1.25DMIPS/MHz,快速的指令执行速度使主控芯片能够运行复杂的滤波和控制算法。提高控制器的实时控制能力。片内高达64kB Flash和20kB SRAM，为复杂的算法程序提供足够的存储和运行空间。两个12位的16通道模拟/数字转换器(ADC),转换速度高达1Msample/s，ADC支持规则转换序列和注入转换序列两种转换模式，支持DMA模式，转换结果的搬运不需要CPU干预，提高程序运行效率。主控及其外围电路如图5所示图5主控芯片及其外围电路图5中控制电路包括主控芯片、时钟电路、复位电路、模

17、拟电路供电电路。时钟采用8MHz外部晶振作为时钟源，通过主控芯片内部PLL倍频后使主控芯片运行在72MHz。主控芯片为低电平复位，复位电路通过阻容电路构成上电复位电路。芯片采用3.3V供电。最小系统还引出了不需要使用的SPI，IIC，UART等接口，方便后续功能的扩张和调试。4.6 电机驱动电路本设计中使用减速直流有刷电机作为两轮自平衡车的驱动电机，电机采用H桥驱动方式，使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值，达到调速的目的7。电机驱动电路如图6所示。图6所示电路只给出了半桥驱动电路，H桥左右两个桥臂电路完全相同。图6电机驱动电路本设计采用MOSFET作为驱动电路的开关器件，MOSFET型号为

18、IRFR1205，开启电压最大值为VGS=4.0V，适合电池供电的应用；在VGS=10V时，RDS=0.027，低导通电阻一方面提高开关效率，另一方面降低开关器件的发热量，提高系统稳定性(康少华等，2011)。由于主控芯片输出信号高电平电压值VOH=3.3V，不能直接驱动MOSFET导通，所以电路设计了半桥电路，高边驱动电路由U1、D1和C1组成。U1使用International Rectifier公司的IR2302芯片，该芯片为专用的半桥驱动电路，IR2302支持输出520V的开启电压，支持3.3V、5V和15V逻辑输入。硬件集成100ns死区控制电路。五系统软件设计系统软件总体流程如图7

19、所示。图7系统软件总流程图系统上电复位后便开始初始化各个功能模块，并启动了1ms定时，每1ms进行一次姿态估算和PID控制，即1s内系统进行了1000次姿态调整。同时为了前期调试已经查看数据，使用了主控的串口将程序中产生的数据如估算出的最终角度等，上传到电脑，以观察数据的特性，上传周期为16ms。5.1 PID概述PID调节器是指按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，其调节实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。在实际应用中，在多数情况下，根据具体情况，可以灵活地改变PID的结构，取其一部分进行控制(杨德刚等，2010)。PID控制器的输入输出

20、关系为： (15)PID控制有模拟和数字控制方式：模拟方式采用电子电路调节器，在调节器中，将被测信号与给定值比较，然后把比较出的差值经PID电路运算后送到执行 机构，改变给进量，达到调节之目的。数字方式用计算机进行PID运算，将计算结果转换成模拟量，输出去控制执行机构。比例控制对系统动态性能的影响：增大时，将使系统响应速度加快，偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；偏小时，系统响应速度缓慢。选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。积分时间对系统性能的影响：积分控制通常影响系统的稳定性。太小使，系统不稳定，且震荡次数较多；太大时，

21、对系统的影响将削弱；合适时，系统的过度过程特性比较理性。积分控制有助于消除系统稳态误差。微分时间对系统性能的影响：微分作用的增强可以改善系统动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等，适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度；另一方面微分作用会放大系统噪声，降低系统抗干扰能力。微分环节的加入可以在误差出现或变化瞬间，按偏差的变化的趋势进行控制。引进一个早期的修正作用，有助于提高系统稳定性。5.2 数字PID算法数字PID算法为用计算机实现，用数值逼近和连续信号离散化实现的PID控制规律。有两种实现方式：位置性数字PID、增量型数字PID。对于位置式PID算法，由于，位置性数字PID控制算法

22、如公式(16)所示： (16)对于增量式PID算法，由公式()可知： (17)结合公式(3-12)和(3-13)，可以得到增量式数字PID控制算法如公式(3-14)所示： (18)增量式数字PID算法不需要做累加运算，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置性数字PID算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积误差(王效杰，2006)。5.3 PID控制器设计本设计中使用双环PID控制实现小车的平衡控制。信号流图如图8所示。角度环PID速度环PID电机小车转速测量测量倾角测量测量图8 PID控制流图本设计采用双环PID控制，内环为速度环，用于控制电机输出，使车轮转速与角度环输出值

23、保持一致；外环为角度环，用于保持小车倾斜角度为0。图中为系统输入，即小车倾斜角度的目标值，该值一直为0。为系统角度环输出值，即小车电机转速目标值。为轮子转速，为小车实际的倾斜角度。为系统扰动输入由于本设计采用锂电池供电，电源的输出功率有限，而且调整小车倾角时电机需要频繁起制动，对电源功率要求较高，会引起电源较大幅度的扰动，所以在本系统中主要的扰动为电源电压的扰动。内环PID控制器控制流图如图9所示。微分系数比例系数积分系数 图9速度环PID控制器控制流图六硬件电路 首先通过Altium Designer画图软件设计出电路PCB,然后发去PCB制造产打样，得到PCB空板。从元器件市场购买所需零器

24、件，将其焊接于打样所得的PCB空板上。接着分别测试电源电路，主控芯片最系统，传感器模块，电机驱动模块是否能正常工作。至此，硬件调试完成。七部分程序void PID_init(void)/小车平衡pid初始化pid_pingheng.p = 700; /750 pid_pingheng.i = 0; pid_pingheng.d = 1; /1pid_pingheng.out_max = 8000;pid_pingheng.out_min = -8000;/小车速度pid初始化 pid_speed.p = 180; / pid_speed.i = 4.5; / pid_speed.d = 0;

25、pid_speed.out_max = 8000; pid_speed.out_min = -8000;long speed(float chanshu ,float chanshu1 )long pwm,encoder_zhuo,encoder_you;encoder_zhuo=chanshu;encoder_you=chanshu1;if(encoder_zhuo>60000) encoder_zhuo=encoder_zhuo - 65534;if(encoder_you>60000)encoder_you=encoder_you - 65534;z = encoder_zh

26、uo;y = encoder_you;Encoder_Least =(encoder_zhuo+encoder_you)-0; /=获取最新速度偏差=测量速度（左右编码器之和）-目标速度（此处为零） Encoder *= 0.7; /=一阶低通滤波器 Encoder += Encoder_Least*0.3; /=一阶低通滤波器 Encoder_Integral +=Encoder;/=积分出位 if(Encoder_Integral>pid_speed.out_max) Encoder_Integral=pid_speed.out_max; /=积分限幅 if(Encoder_Inte

27、gral<pid_speed.out_min) Encoder_Integral=pid_speed.out_min; /=积分限幅 pwm = (long)(pid_speed.p*Encoder) + (long)(pid_speed.i*Encoder_Integral); return pwm; s16 pingheng(float Angle,float Gyro)s16 pwm;Angle=Angle-2;PID_D=(s16)(pid_pingheng.d*Gyro);PID_P=(s16)(pid_pingheng.p*Angle);pwm=PID_P - PID_D;return pwm;八制作困难本作品制作过程中遇到了很多困难。在硬件方面，STM32烧坏好几个，造成了经济损失，后来经过检查电路和改进，能够稳定安全运行。设计初期我们试验L298N作为电机驱动，发现反映过慢，后来改用TB6612，效果非常好。PID参数的调试花费