基于MPU6050的平衡車設計

侯立業 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學院信息學院

基于MPU6050的平衡車設計

侯立業 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學院信息學院

平衡車雖然是一個穩定的系統，但其卻是一種靜不穩定的系統。有些類似于倒立擺與航天領域中飛機空氣動力學平衡問題。而平衡車又是種可控制的系統。所以說只要對系統加以適當的控制就可以使其達到平衡。本文通過基于MPU6050的平衡車設計及筆者淺談采用適當的反饋控制將原先的開環穩定度低的系統與閉環系統加以分析比較，最終將平衡車控制系統的速度、角速度、角度、等變量趨于我們想要的穩定值。

PID控制 陀螺儀 平衡車系統 STM32F103

平衡車，是典型的靜不穩定系統。從學術上說，其涉及到自動控制的多種控制方法，前饋調節、串級控制、模糊魯棒性的分析等問題，是各學科各領域的交叉系統值得學習與探討。而在日常生活中，根據平衡車系統制作的產品各式各類，廣泛用于安保、服務、助老、以及汽車和航空領域；同時還具有使用清潔能源、節能、低排量、環保、便于攜帶等優勢。也間接解決了交通、清潔能源匱乏、保護環境的壓力問題。對于現今市面上的平衡車，精度、速度和與人交互反饋的要求不斷升高。故此，筆者通過基于MPU6050的平衡車控制系統談一談這些問題。

1 基于MPU6050的平衡車設計

1.1 硬件設計

單片機控制系統采用以STM32F103C8T6為核心的最小系統；STM32F103C8T6是一款32位高集成度、高運算速度、多模塊、低功耗、體積小的計算機芯片，其價格便宜，開發程度較高，是這次設計選擇的原因。

在動力電機選擇方面，采用DC有刷電機。其價格便宜，機械特性較硬，調速范圍大且較平滑，符合本次選擇。與之對應的電機驅動方面，筆者選用TB6612FNG作為主芯片。TB6612FNG是東芝半導體公司生產的一款基于MOSFET的H橋集成電路，TB6612FNG效率高于晶體管H橋驅動器。而相比常用L293D和L298N每通道平均600mA的驅動電流和1．2A的脈沖峰值電流，它的輸出負載能力提高了一倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續流電路，它無需外加散熱片，外圍電路非常簡單。

圖1 平衡車系統結構圖

1.2 軟件設計

兩輪自平衡車屬于本質不穩定系統，因此其實現的平衡是一種動態平衡。在遇到外界干擾如何快速恢復，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。傳統的PID控制在各類工業場合有著廣泛的應用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統要求。為了能夠快速穩定的對小車速度進行控制，本系統加入了編碼器作為速度反饋環節，形成了速度的閉環控制。而在系統的濾波方式，經過各類比較和總結優缺點采用卡爾曼最優信息處理方式濾波系統采用PID控制作為平衡車速度控制策略。其輸入為車速的偏差，而輸出為傾角，通過平衡控制達到控制車速平衡的目的。

2 總結

本設計主要研究兩輪自平衡小車的設計與實現。通過相應硬件與軟件的設計，實現了兩輪自平衡小車的動態平衡與運動控制。系統硬件結構以32位單片機STM32F103C8T6為控制核心，采用壓電陀螺儀MPU6050構成了慣性姿態檢測系統，通過H橋電機驅動及旋轉編碼器實現了直流電機的閉環調速，最終實現了兩輪自平衡車的姿態檢測與平衡控制。系統軟件設計上比較了各類濾波器優缺點，結合本系統硬件構架設計了以卡爾曼濾波器為核心的數據融合算法。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計的輸出融合為準確的傾角與角速度輸出，為系統的控制提供了有力保障。

[1]徐國華，譚民.移動機器人的發展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用,2001,14(3):7-14.

[2]爾桂花,竇曰軒.運動控制系統[M].北京：清華大學出版社,2002：48-49.

[3]阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統:運動控制系統[M].北京：機械工業出版社,2009：25-28.

[4]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社,2005:1-2.

侯立業、劉闊、甄廣航：沈陽工學院信息與控制學院自動化專業學生，研究方向機器人技術；耿欣：（1981-），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士研究生，研究方向機器人技術；李姿（通訊作者）：（1982-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士研究生，現從事電氣工程及其自動化方向理論課程講授。