基于MPU6050六軸傳感器平衡小車的設計

占華林，鄒麗彬，歐陽燁

（江西科技師范大學，江西南昌，330013）

基于MPU6050六軸傳感器平衡小車的設計

占華林，鄒麗彬，歐陽燁

（江西科技師范大學，江西南昌，330013）

兩輪自平衡小車是通過使用陀螺儀、加速度計等常用的姿態傳感器來監測車身所處的俯仰狀態和狀態變化率，經數字控制中心處理與計算，再發出適當的指令給驅動電動機產生前進或后退的加速度，以保持車體前后平衡的狀態。本設計選用STM32單片機作為主控制器，用MPU6050六軸傳感器和兩個陀螺儀傳感器來檢測車的狀態，通過TB6612FNG控制小車的兩個電機，讓小車不斷地處于新舊交替的平衡狀態，實現了兩輪小車的硬件控制系統。

兩輪自平衡小車；陀螺儀；MPU6050六軸傳感器；加速度計

1 研究的背景及意義

最近幾年，電子信息技術突飛猛進，移動機器人研究與開發越來越變得智能，已成為自然科學最活躍的領域之一，移動機器人也已經走進尋常百姓家。兩輪自平衡機器人正是在這樣大背景下提出來的，但兩輪自平衡機器人最顯著的特點是：采用了兩輪共軸、左右輪各自獨立驅動的工作方式(也稱為差分式驅動方式)，車體整個重心位于車輪平衡軸的正上方，通過TB6612FNG控制小車的兩個電機，從而控制平衡車輪的前后移動來保持車身的平衡，并且還能達到在直立平衡的情況下行駛的功能。

早在八十年代，日本電信大學山藤一雄教授就提出了兩輪自平衡機器人的構想。這個基本的構想就是用高速信號處理器來偵測平衡的改變，然后以調整雙輪前后移動來保持機器的平穩。2002年，兩輪自平衡車發生很大變化，卡門嘗試使用電子機械傳感器代替生物傳感器，如使用精密的陀螺儀來代替人類的前庭與耳蝸等平衡器官，用電機驅動代替手工驅動，如以電動馬達與車輪代替人類的雙腳，發展出所謂的“動態穩定"概念。

基于以上的背景，本文選用STM32單片機作為主控制器，用MPU6050六軸傳感器和兩個陀螺儀傳感器來檢測車的狀態，通過TB6612FNG控制小車的兩個電機，讓小車不斷地處于新舊交替的平衡狀態，實現了兩輪小車的硬件控制系統。

圖1 系統方案框架圖

2 系統設計

兩輪平衡小車控制系統的電路，首先通過MPU6050六軸傳感器和兩個陀螺儀傳感器來檢測車的狀態，然后STM32單片機為主控制器，輸出控制信號到各個電路子模塊，構成循環控制系統，最后達到兩輪小車的平衡。

從系統方案框架圖可以得出如下子模塊。

（1）單片機最小系統。

（2）MPU-6050六軸傳感器、陀螺儀傳感器和加速度傳感器。

（3）速度檢測：檢測電機霍爾測速輸出脈沖頻率。

（4）電機驅動：驅動兩個電極運行功率電路（控制電路占空比）。

（5）電源：電源電壓轉轉換，穩壓，濾波電路。

圖2 軟件設計流程圖

3 硬件電路設計

3.1 單片機最小系統

STM32系列單片機基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能要求不同，將STM32單片機分成兩個不同的系列：STM32F101“基本型”系列和STM32F103“增強型”系列。目前，增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性價比較高的產品。

3.2 MPU6050六軸傳感器

MPU6050六軸傳感器將陀螺儀和加速計封裝在一起，通過IIC總線給出六個維度的ADC值；其次，芯片本身提供一個IIC從接口，供用戶接第三方的IIC器件，一般選擇是接一個電子羅盤，如HMC5883L，構成一個9軸的輸出的姿態模組。

3.3 藍牙模塊

在智能機泛濫的時代，為了增加小車的適應性，以及節省成本，我們選擇使用藍牙透傳模塊。

4 軟件程序設計

軟件的實現的主要功能包括有：

（1）陀螺儀、加速度計等常用傳感器信號的采集、處理。

（2）脈沖寬度調制信號（PWM） 輸出到電機。

（3）車模運行控制：方向控制、直立控制、速度控制、啟動停止控制。

（4）車模運行流程控制：程序初始化、車模啟動與結束、車模平衡狀態監控。

（5）車模狀態信息顯示與控制參數設定：狀態顯示、上位機監控、參數設定等。

上電，單片機程序開始初始化。初始化的工作包括有兩部分，第一部分是由單片機控制的各個子模塊的初始化。第二部分是應用程序初始化，是對于車模控制程序中應用到的變量值和單片機內容寄存器進行初始化。如果一旦處于可控范圍則啟動車體直立控制、速度控制以及藍牙遙控。程序在主循環中不停地接收由傳感器發送的監控數據，再通過串口發送到上位機進行監控。同時，通過車模傾角是否超過一定范圍確定車模是否跌倒。超過的一定范圍，則認為車體跌倒，車體停止運行。然后重新進入車體直立判斷過程。

5 系統實現與結論

通過實物測試，本文采用的STM32單片機作為主控制器，用MPU6050六軸傳感器和兩個陀螺儀傳感器來檢測車的狀態，通過TB6612fNG控制小車兩個電機，來使小車保持平衡狀態，達到最大爬坡角度15℃、啟動停止靈敏、車體重量輕、續航距離長等特點。

[1]張偉民.兩輪自平衡小車控制研究[J].控制理論與應用.2011.

[2]張志強.基于STM32的雙輪平衡車[J].電子設計工程.2011.

[3]薛倫生.基于單片機控制的小車平衡系統設計[J].電子測量技術.2009.

Design of balance car based on MPU6050 six axis sensors

Zhan Hualin, Zou Libin, Ouyang Ye
（Jiangxi Science and Technology Normal University,Nanchang Jiangxi,330013）

Two wheel self balancing trolley monitors the pitch state and the rate of state change through the attitude sensors such as gyroscopes and accelerometers,via the digital control center processing and calculation,and then sends the appropriate instructions to the motor driven by the acceleration forward or backward in order to maintain the balance of the body.This project uses STM32 microcontroller as the main controller, detects the status of the car using MPU6050 six sensors and two axis gyroscopes sensors and controls two motors by TB6612FNG,lets the car constantly in a state of balance between the old and the new,thus reals the two wheel car hardware control system.

Two wheel self balancing trolley; gyroscope; MPU6050 six axis sensor; accelerometer