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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，M的方向与H的方向亦产生
5、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，价格便宜，有专门的软件库，
6、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PWM通道，因此具体型号定位
7、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，缺点是陀螺仪具有静态漂移，即静态下，
8、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；步进电机有较大的输出转矩；有优秀的起制动性能；
9、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带有减速齿轮的直流有刷电机驱动两轮自平衡小车。3.
10、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）主控模块的STM32单片机是控制器
11、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旋转角速度。本设计选用MPU-605
12、0。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速的运动，传感器的测量范围都是用户可
13、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440.9mm，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2.5V5%，
14、3.0V5%，或3.3V5%。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1.85%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
15、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。STM32F103R8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、模拟电路供
