单片机控制单轴双轮自动平衡小车设计

1、题目：单片机控制单轴双轮自动平衡小车设计系别：电气工程系专业：电气工程及其自动化班级：电气121学号：学生姓名：指导教师：2016年月摘要两轮自平衡车由于其特有的灵活性以及便捷性越来越受到人们的关注，在人们的日常生活中也作为代步工具被越来越多的人群接受。本设计采用了基于ARMC0RTEX-M3内核的STM32单片机，使平衡车姿态调整速度更快，数据处理更准确，运动性能更佳。并且放弃分别采用陀螺仪和加速度传感器来获取小车的姿态信息，而是直接采用了全球首例9轴运动处理传感器MPU-6050，通过DMP获取四元数，以算出角度，并通过PID控制实现小车的直立平衡行走。采用蓝牙模块实现和小车之间的通讯工作

2、，设计最终实现了小车的平衡站立、前进、倒退功能。实现小车的平衡直立行走，其实就是要对电机进行适时的控制，电机作为机电转换装置，遍布于国民经济的各个领域以及人们日常生活的方方面面，所以对电机的完美控制更显得极其重要，也是本设计的主要目的之一。STM32F10x系列芯片是新型的32位嵌入式微处理器，具有优秀的数据处理能力，速度更快，在对本设计中的小车模型进行速度调整时，能展现出更灵敏的反应速度，更重要的是，它还具有较好的移植性，在很好的实现本设计任务的同时，利于将来更多功能的扩展。关键词：平衡车；MPU6050；STM32；PID控制AbstractMoreandmorepeoplehavepai

3、dattentiontoTheTwo-wheeledSelf-balancingRobotduetoitsuniqueflexibilityandconvenience.Peoplehadacceptitastransportinpeoplesdailylife.ThisstudyisjustbasedonthepurposeofexploretheTheTwo-wheeledSelf-balancingRobot.ThisdesignbasesonSTM32microcontrollerwhichbasedontheC0RTEX-M3ARMcore.becauseofthat,therobo

4、tadjustfaster,dataprocessingmoreaccurate,performancebetter.Atthesametime,wedirectlyusingtheworldsfirst9axismotionprocessingsensorMPU-6050insteadofthegyroandaccelerationmetersensorstogetthecarsattitudeinformation.tocalculatetheangleThroughtheDMP.AndtoachievethecarsuprightbalancewalkingthroughthePIDco

5、ntrol.UsingBluetoothmoduletoachievecommunicationwiththecar.TheDesignedwillachievethebalanceofthecarstand,forward,backwardfunction.Toachievethebalanceofthecaruprightwalking,infact,istotimelycontrolofthemotor,electricmotorisanelectricmachineconversiondevicewhichthroughallareasofthenationaleconomyandpe

6、oplesdailylife,sotheperfectcontrolofthemotorismoreimportantandisoneofthemainobjectivesofthisdesign.stm32fl0xserieschipisnew32-bitembeddedmicroprocessor,ithasexcellentperformance,goodportabilityandimprovetheefficiencyoftheDCmotorcontrol,andwehavemodularthelsystem,whichwillbeconducivetothebalanceofthe

7、carafterthefunctionexpansion.KeyWord:Self-balancingRobotMPU6050STM32PIDcontroller1绪论12平衡车总体设计方案22.1系统平衡原理分析22.2系统整体设计33系统硬件电路设计53.1系统硬件选型53.2 最小系统设计63.3 姿态检测电路设计73.4电源稳压模块73.5电机驱动模块设计84系统软件部分设计94.1软件系统总体结构94.2 单片机初始化94.3姿态检测系统软件设计104.3.1 MPU6050姿态获取方法104.3.2 卡尔曼滤波算法114.4平衡PID控制软件实现124.4.1 直立环PD控制124

8、.4.2 速度环PI控制135 系统调试155.1 角度矫正155.2 卡尔曼滤波调试155.3 PID参数的整定155.3.1 PD控制调试155.3.2 PI控制调试156 结论17致谢18附录1程序19附录2电路图24参考文献24中原工学院信息商务学院毕业设计（论文）1绪论近几年，不管是独轮车还是双轮平衡车都越来越受到人们的关注，随着时间发展，科技的进步，双轮平衡车也变得越来越智能化。最开始，瑞士研制了用DSP和FPGA控制的基于倒立摆理论的双轮车，通过倾斜传感器和倾角传感器来检测车体，通过电机上的编码盘检测电机的速度。该设计采用了基于状态反馈的线性控制策略，车的运动被分解成直线和旋转运

9、动，然后分析直线运动和旋转运动，得到电机需要的控制量，最终把控制量耦合叠加。其主要的设计思想是：使车子朝车体倾斜的方向运动来保持车身的平衡，该控制只能让小车平衡运动，而不能让小车自主直立。之后，赛格威公司研发了Segway平衡车，它拥有更多的姿态传感器，有5个陀螺仪传感器，然而事实是检测车身倾斜只需要3个传感器就够了，其他的两个传感器只是增加安全性。传感器采集到的数据发送给集成有许多处理器的电路板。这个集群是为了保证载人平衡车在其中任何一个处理器出现问题时能报告错误，保证了平衡车的安全性。它的设计是针对民用代步设计的，很具有代表性。国内方面，也已经有基于传感器ADXL202及反射式红外线距离传

10、感器来获得姿态信息的设计1,该设计基于PWM动态来控制直流电机的速度，车与上位机间的数据通信显示使用人机交互界面使用图形液晶点阵、方向摇杆、按键。依靠这些可靠并且完备的硬件，使用独特的软件算法，最终实现Sway的数据交换和平衡直立控制。发展趋势：平衡车正在朝着越来越智能化的方向的发展，已经提出了众多的解决平衡控制的方案。未来平衡车必将越来越小巧轻便，配备更完善的人机交互介面。另外，两轮自平衡车的应用前景将会十分的广泛，未来的目标是制造出外形结构简洁，并且具有稳定自平衡性能的平衡车，还能有方便的驾驶模式，必将方便大家的出行。32平衡车总体设计方案2.1系统平衡原理分析分析双轮平衡小车的平衡站立，

11、我们自然联想到一根直立木棍在手指上保持直立，这正是人们在日常生活中对直立平衡控制的直观经验和感受。通过仔细分析不难发现，通过手指移动可以保持木棍的直立不倒，类比于单轴双轮平衡小车，我们在发现车身倾斜的时候，需要直接使车子向相反的方向运动，目的是抵消在这个维度上由于车身重力产生的倾斜，这样就能使车身保持直立平衡。导致车体倾斜的主要因素是e角度的产生，e角度是车身发生倾斜后车身和垂直于地面的直线的夹角，所以要想小车平衡，需要消除倾角，或将倾角控制在一个可控的范围之内，整个平衡控制流程如图2-1所示。图2-1平衡控制框图保持车身平衡的方法是转动电机来调整车身下部，以改变车身倾斜角度，来使车身保持在一

12、水平垂直线上。然而这只是我们的直观感受，真正应用于理论设计的时候，就要写出小车的运动方程4。车身受力分析如图2-2所示。车模运动方程:d20(t)dt2=gsmb(t)La(t)cosb(t)+c(21)在角度e很小时，运动方程简化为:d20(t)Ldt2gb(t)-a(t)+LaC)(22)车模静止时：a(t)=0L=gb(t)+La(t)(2-3)dt2图2-2车模受力分析2.2系统整体设计目前市场上已经开发出单轴双轮自动平衡小车，已经可以满足代步和娱乐的目的，本设计的要求是，要设计出这样一个系统，使它具有自动平衡的功能，并且能够前进和后退。姿态传1宀感器匚2匚电机驱动电路电机0车速检测模

13、块：编码器主控芯片STM32蓝牙.模块b图2-3硬件结构图整个设计流程以STM32单片机为核心，选用了与该主控芯片相融和的其他几个必要的模块。姿态传感器模块电路测算小车车身姿态信息、并把信息提供给主控芯片STM32。主控芯片STM32是整个小车模型的大脑，在接收到小车车身信息之后，与预先设定车身平衡数据进行比较，计算出小车需要调整的余量，转化成PWM5控制信号，输出给电机驱动电路模块，电机驱动模块在接收到PWM信号之后再完成对电机的控制，电机上的编码器测速模块采集到电机速度信息，再把信息反馈给主控芯中原工学院信息商务学院毕业设计（论文）片STM32。重复这样一个过程，完成车模的直立平衡控制、直

14、立运动控制6,依靠蓝牙模块发送对整个小车的运动控制命令。整个小车被设计成如图2-3所示的几种模块。选用基于ARM的STM32F10X系列单片机，这是一系列功能更强大的数据处理能力更强的主控芯片7，必将会为之后平衡车的功能拓展提供方便。整个设计采用模块化的思想，这也正好切合了设计之初的想法，为实现小车更多功能的扩展提供方便。93系统硬件电路设计3.1系统硬件选型姿态传感器选型：InvenSense公司的MPU-6050内置了一个数字可编程的低通滤波器、自带的可扩展的数字运动处理器DMP。并且，InvenSense提供了一个MPU6050的嵌入式运动驱动库，结合MPU6050的DMP，可将原始数据

15、直接换算成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角，从而得到yaw,roll，pitch，他们分别是俯仰角、横滚角、航向角。使用内置的DMP,使主控芯片不用进行姿态解算过程。应用在平衡车上的MPU-6050有很多优点：体积小，功耗小，测量也很精确MPU6050内部集成了三轴陀螺仪以及加速度传感器。如果选用多组方案，成本会升高。所以最终，直接采用集成了动态滤波功能的9轴姿态传感器，传感器可以把处理后的姿态角等信息用串口形式发送。我们想要得到的是小车的俯仰角。要想得到车体的俯仰角，只需利用原始数据，进行姿态融合解算即可。电机选型：因为平衡车要进行速度控制的话还需要有编码器，为了减免

16、不必要的工作量，并切保证质量，我们应尽量选取带有编码器的直流有刷电机。本设计采用的是型号是25GA20E260的带有带霍尔编码器的电机，工作电压在713V,越高的电压将会带来越高的性能。电机尾部带有13线的霍尔编码器，电机的减速比是1:20，故车轮转一圈，电机可以输出260个脉冲，倍频之后是1040。编码器的额定工作电压是5V,集成了上拉电阻和比较整形功能，可以直接输出方波。电机配有金属减速箱，额定电压下，减速后空载转速500rpm（转每分）。外形小巧，使用方便。电机驱动选型：TB6612FNG芯片和L298N使用都是非常简单的。该芯片的数据输入只需要控制两条数据线的高低电频和一条线的PWM就

17、能够控制一个电机，而该芯片正好能够控制两个电机，所以用6条线就够完成两个电机的驱动TB6612FNG是一个很优秀的双电机驱动板，它有两个接口去来驱动两个直流电机，如我们常用的微型金属减速马达控制器，当然也可用于控制一个双极步进电机。基于MOSFET场效应管的H桥驱动更有效率。两台电机的每个通道都有两个方向控制引脚和一个接受PWM输入频率达100Khz的速度控制引脚。TB6612相对于传统的L298N，效率提高很多，体积大幅减少，在额定范围内，芯片基本不发热。TB6612FNG有两个Mosfet的H桥电路。对比L298N,TB6612只需要接一个电容，发热也不严重，驱动功率也很高，将会为整个设计

18、电路模块减小体积。要想系统的电源模块满足要求，必然要按照适用于硬件系统中其他硬件的需求来确定。要满足姿态传感器芯片为mpu6050，电机25GA，驱动TB6612，STM32C8T6的具体要求，就需要提供：12V、5V、3.3V的电压。德州仪器（TI）生产的稳压芯片LM2596提供的有：3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。它的输出电压：3.3V、5V、12V及（ADJ）等，最大输出电压达到37V。用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V的AMS1117系列稳压器设计。既使输出最大电流，可以保证AMS1117最大电压差也不会超过1.3V，随着负载电流的降低，电压差也慢慢变

19、小。设计最终使用STM32F103C8T6，读取mpu6050的数据时通过IIC接口，获得小车的姿态，接下来的过程是主控芯片通过PID控制给电机输出PWM控制信号，电机驱动模块芯片TB6612接受到PWM信号之后再完成对电机的控制10。另外，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。因为需要记录数据和绘出数据波形，查看滤波和PID效果。所以扩展了串口电路。3.2最小系统设计系统方框图如图5所示STM32系列是一款性价比极高的嵌入式应用专门设计的主频72MHz的ARMCORTEX-M3内核，方便之后功能的拓展，工作电压为3.3V。晶振电路为STM32单片机处理器11提供8M频率的时钟脉冲，并串联两个10PF电容保GXDEOOIOHeader2H依3C?O.lufNRSTIY2HFGXD|UiCSW-PB8X1HZ22pf心3.3v0.luf33vP.9WKUPPBOPA1PB1FA2PB2BOOT1PA3PB3JTDOPA4PBIJNTRSTFA5PB5PB6PA7PB7FASPA9PA10PA11.PA12PA13JTXEST8OPA14JTCKSWCLKPA15JII3O9CIXPDOPaS-T.AMPERrRTCOSCOLTPD1PC1-1