基于STM32的雙輪扭扭車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫亞飛 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

雙輪扭扭車是近年來國內(nèi)外迅速發(fā)展起來的一類代步工具，具有騎行方便、綠色環(huán)保、便于攜帶等特點(diǎn)，深受廣大青少年的喜愛，具有廣泛的應(yīng)用市場。

采用STM32F103系列微處理器及MPU6050姿態(tài)傳感器，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款雙輪扭扭車控制系統(tǒng)，為各類扭扭車的開發(fā)提供一套可靠的控制系統(tǒng)。

1 平衡原理分析

下面以前進(jìn)控制為例，對扭扭車的平衡原理進(jìn)行說明。如圖1所示，當(dāng)騎行者腳部控制扭扭車向前傾斜一定角度時，扭扭車的姿態(tài)傳感器會實(shí)時采集左右兩邊車輪的姿態(tài)信息（角度和角速度），經(jīng)過主電路板控制器的處理，輸出相應(yīng)的電機(jī)控制量，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動向前行駛，抵消騎行者向前傾斜的姿勢，從而保持騎行者身體的平衡。

圖1 雙輪扭扭車平衡原理分析

此后，扭扭車的姿態(tài)傳感器定時采集左右兩邊車輪的姿態(tài)信息（角度和角速度），通過驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，使扭扭車的轉(zhuǎn)速能夠有效保證騎行者的身體平衡，并產(chǎn)生一定移動速度。

另外，在每一次定時采集姿態(tài)信息的循環(huán)中，還需要對電機(jī)控制量進(jìn)行PID閉環(huán)控制，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到所需控制轉(zhuǎn)速。與前進(jìn)控制方式相似，后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)均通過對左右兩個車輪的不同轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)移動和平衡。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于雙輪扭扭車的平衡原理分析，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案如下圖2所示。

首先由姿態(tài)傳感器測得左右兩個車輪的原始姿態(tài)信息，并將處理得到的姿態(tài)信息發(fā)送給主控芯片，主控芯片用此姿態(tài)信息計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動信號，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動模塊產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動電流，驅(qū)動左右電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)速測量傳感器測得左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將其發(fā)送給主控芯片，從而對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID閉環(huán)控制。之后，用定時中斷方式持續(xù)對雙輪扭扭車的姿態(tài)進(jìn)行測量和平衡控制，實(shí)現(xiàn)雙輪扭扭車的各種運(yùn)動控制。

圖2 雙輪扭扭車控制系統(tǒng)方案

3 硬件電路開發(fā)

基于圖2所示的控制系統(tǒng)方案，雙輪扭扭車控制系統(tǒng)硬件電路由三塊電路板構(gòu)成，包括一塊主板電路和兩塊副板電路，其硬件電路框圖如下圖3所示。

圖3 雙輪扭扭車硬件框圖

其主板電路主要由主控模塊，驅(qū)動模塊，霍爾信號采集模塊等構(gòu)成；副板電路則主要由主控模塊與姿態(tài)檢測模塊等構(gòu)成。

這樣設(shè)計(jì)電路板可以最大限度的合理運(yùn)用平衡車自身空間，為后期平衡車的外觀設(shè)計(jì)提供一定空間，使其在實(shí)用性之上更具美觀。

3.1 主電路板開發(fā)

主電路板采用了STM32F103RCT6主控芯片，其最高工作頻率為72MHz，并集成了256KB Flash存儲器和20KB SRAM存儲器，且能夠產(chǎn)生多路PWM的高級定時器。

主電路板主要由如下電路模塊構(gòu)成：主板主控芯片模塊、主板電源模塊、電機(jī)驅(qū)動電路模塊等。主電路板的電路原理圖如圖4所示，所開發(fā)的主電路板實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 主電路板電路原理圖

圖5 主電路板實(shí)物圖

3.2 副電路板開發(fā)

副電路板采用了STM32F103C6T6主控芯片，該主控芯片集成了32KB的Flash存儲器，主要用于將采集到的姿態(tài)信息通過串口傳送到主控制板的主控芯片上，進(jìn)行姿態(tài)控制。

副電路板主要由如下電路模塊構(gòu)成：副板主控芯片模塊、副板電源模塊、姿態(tài)檢測模塊等。副電路板的電路原理圖如圖6所示，所開發(fā)的副電路板實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 副電路板原理圖

圖7 副電路板實(shí)物圖

4 應(yīng)用程序開發(fā)

基于STM32的雙輪扭扭車控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括主板應(yīng)用程序開發(fā)和副板應(yīng)用程序開發(fā)兩部分。

4.1 主板應(yīng)用程序開發(fā)

主板應(yīng)用程序總體框架由配置模塊和控制模塊兩部分構(gòu)成。其中，配置模塊是指在程序運(yùn)行前，需要預(yù)先對部分硬件電路進(jìn)行初始化配置的軟件程序模塊，如：時鐘配置模塊，I/O口配置模塊，串口配置模塊等；控制模塊是指在程序運(yùn)行過程中，通過對這些軟件程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)一定的控制功能的程序模塊，如PID算法模塊等。

主板應(yīng)用程序主流程圖如下圖8所示，其工作流程為：

第一步：系統(tǒng)初始化和配置設(shè)置；

第二步：電機(jī)進(jìn)入伺服鎖定狀態(tài)；

伺服鎖定實(shí)質(zhì)上是一種制動模式。當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動器選擇速度控制模式時，由于無法進(jìn)行閉環(huán)位置控制，因此，伺服電機(jī)的停止位置是隨機(jī)的，且停止后也無保持力矩。這時，如負(fù)載存在外力作用（如重力），就可能導(dǎo)致伺服電機(jī)停止后，產(chǎn)生運(yùn)動而偏離停止點(diǎn)。

第三步：等待副板的控制信號；

副板的控制信號通過串口發(fā)送給主板，一共分為三種信號。

第一種為停止信號，接收到這個信號后，主板主控芯片關(guān)閉用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速的定時器3和4，并使電機(jī)進(jìn)入伺服鎖定狀態(tài)。

第二種為電機(jī)啟動信號，主板將電機(jī)伺服鎖定狀態(tài)解除。

第三種為接著修改副板的控制信號，并調(diào)用電機(jī)閉環(huán)啟動函數(shù)，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，從而使主控芯片接收到變化的霍爾信號來控制電機(jī)。第三種由主板主控芯片修改，主要控制PID算法的運(yùn)算得出電機(jī)所需的控制量。

第四步：控制信號輸出控制量達(dá)到控制雙輪扭扭車前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向的目的。

本控制程序是通過中斷來實(shí)時完成各種控制任務(wù)的，其主函數(shù)部分相對簡單，用while循環(huán)來保持程序持續(xù)運(yùn)行。

圖8 主板程序主流程圖

4.2 副板應(yīng)用程序開發(fā)

副電路板應(yīng)用程序主要用于將測量得到的姿態(tài)信息進(jìn)行處理后發(fā)送給主電路板，用于平衡處理。

副電路板應(yīng)用程序總體框架也由配置模塊和控制模塊兩部分構(gòu)成。其中，配置模塊是指在程序運(yùn)行前，需要預(yù)先對部分硬件電路進(jìn)行初始化配置的軟件程序模塊，如：IIC配置模塊、串口配置模塊等；控制模塊是指在程序運(yùn)行過程中，通過對這些軟件程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)一定的控制功能的程序模塊，如卡爾曼濾波算法模塊、MPU6050配置模塊等。

其主流程圖如下圖9所示，其工作流程為：

第一步：副電路板主控芯片STM32F103通過定時中斷讀取MPU6050姿態(tài)傳感器采集的原始姿態(tài)信息；

第二步：對此姿態(tài)信號進(jìn)行卡爾曼濾波處理，計(jì)算出精確的姿態(tài)信號，用作電機(jī)目標(biāo)控制量；

第三步：將此電機(jī)目標(biāo)控制量通過串口發(fā)送給主電路板，用作平衡控制。

整個扭扭車控制系統(tǒng)中共有兩個副板，每個副板通過主板控制左右電機(jī)中的一個狀態(tài)。

圖9 副板程序主流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證

將上述所開發(fā)的控制系統(tǒng)安裝在雙輪扭扭車架上，對其控制功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證，具體如圖10所示。

圖10 雙輪扭扭車控制系統(tǒng)測試

測試結(jié)果表明：所開發(fā)的控制系統(tǒng)能對雙輪扭扭車的左右兩個車輪進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)動控制，且在可控的傾角范圍類，左右兩個車輪的轉(zhuǎn)速隨平衡車左右兩邊的傾角不同而變化，滿足雙輪扭扭車的運(yùn)動控制要求。

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款基于STM32F103系列微處理器的雙輪扭扭車控制系統(tǒng)。采用一塊主電路板和兩塊副電路板來構(gòu)建該控制系統(tǒng)的硬件平臺，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)對各類扭扭車的運(yùn)動控制。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)雙輪扭扭車的穩(wěn)定運(yùn)行和平衡控制。

[1]陳偉、延文杰等.兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微控制器，2008，27(4)：117-120.

[2]周柱、孟文等.基于STM32的智能小車設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場，2011，18(6)：1-2(4).

[3]張志強(qiáng).基于STM32的雙輪平衡車[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(13)：103-106.

[4]季鵬飛、朱燕等.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014，27(11)：96-99(105).

[5]魏文、段晨東等.基于數(shù)據(jù)融合的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：79-81.