基于STM32的兩輪自平衡小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王磊 寧欣

摘 要：本文主要對(duì)兩輪自平衡小車(chē)的姿態(tài)檢測(cè)算法、PID控制算法兩方面進(jìn)行展開(kāi)研究。用加速度傳感器和陀螺儀傳感器融合而成的姿態(tài)傳感系統(tǒng)與互補(bǔ)濾波器組合得到自平衡小車(chē)準(zhǔn)確而穩(wěn)定的姿態(tài)信息，然后PID調(diào)節(jié)器則利用這些姿態(tài)信息輸出電機(jī)控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使小車(chē)得以平衡。

關(guān)鍵詞：STM32；自平衡小車(chē)；控制系統(tǒng)；控制算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.052

1 研究意義

應(yīng)用意義：兩輪平衡車(chē)是一種新型的交通工具，它與電動(dòng)自行車(chē)和摩托車(chē)車(chē)輪前后排列方式不同，而是采用兩輪并排固定的方式，就像一種兩輪平行的機(jī)器人一樣。兩輪自平衡控制系統(tǒng)是一種兩輪左右平行布置的，像傳統(tǒng)的倒立擺一樣，本身是一個(gè)自然不穩(wěn)定體，必須施加強(qiáng)有力的控制手段才能使之穩(wěn)定。兩輪平衡車(chē)具有運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省能源、綠色環(huán)保、轉(zhuǎn)彎半徑為0等優(yōu)點(diǎn)。因此它適用于在狹小空間內(nèi)運(yùn)行，能夠在大型購(gòu)物中心、國(guó)際性會(huì)議或展覽場(chǎng)所、體育場(chǎng)館、辦公大樓、大型公園及廣場(chǎng)、生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)、城市中的生活住宅小區(qū)等各種室內(nèi)或室外場(chǎng)合中作為人們的中、短距離代步工具。具有很大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

理論研究意義：車(chē)體狀態(tài)運(yùn)算主要是將各傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)加以融合得出車(chē)體傾斜角度值、傾斜角速度值以及行車(chē)速度等。平衡控制運(yùn)算根據(jù)車(chē)體狀態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算保持平衡需要的行車(chē)速度和加速度，或者轉(zhuǎn)彎所需要的左右電機(jī)速度變化值，向電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制指令。運(yùn)算模塊相當(dāng)于兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的大腦，它主要負(fù)責(zé)的工作是：控制電機(jī)的起停，向控制模塊發(fā)出加速、減速、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等速度控制信號(hào)，接收電機(jī)Hall信號(hào)進(jìn)行車(chē)速度計(jì)算，并通過(guò)RS一232串口向PC發(fā)送車(chē)速數(shù)據(jù)以供存儲(chǔ)和分析。另外，還負(fù)責(zé)接收車(chē)體平衡姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行自平衡運(yùn)算。

現(xiàn)有的自平衡車(chē)結(jié)構(gòu)種類繁多，但車(chē)體都?xì)w根于由三層的基本結(jié)構(gòu)組成，從上到下依次是電池層、主控層、電機(jī)驅(qū)動(dòng)層。電池層用于放置給整個(gè)系統(tǒng)供電的6V鋰電池，主控層由主控芯片系統(tǒng)和傳感器模塊組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)層接受單片機(jī)信號(hào)，并控制電機(jī)。每個(gè)層都是功能模塊的電路路板，之間用銅柱固定，電機(jī)外殼與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板固定，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與兩只輪胎相連。

通過(guò)對(duì)自平衡車(chē)進(jìn)行受力分析可知：在沒(méi)有外力的作用下，車(chē)體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，處于傾倒的趨勢(shì)。

從受力平衡的角度分析，只有當(dāng)車(chē)體重力的方向和地面對(duì)車(chē)輪支持力的方向同線反向時(shí)（即二力角度為180°），車(chē)體才會(huì)處于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。當(dāng)支持力和車(chē)體之間呈現(xiàn)傾角θ的時(shí)候，車(chē)體就會(huì)有傾倒的趨勢(shì)。在現(xiàn)實(shí)中，θ角會(huì)受到很多因素的影響一直存在，即使角度很小。這時(shí)車(chē)身重力方向和支撐力的之間也會(huì)產(chǎn)生夾角，會(huì)導(dǎo)致θ角越來(lái)越大，直至傾倒。

2 平衡的方法

從上述分析可以得出，θ角度的產(chǎn)生是導(dǎo)致兩輪平衡車(chē)傾倒的最主要的原因，因此，如果要使平衡小車(chē)保持平衡狀態(tài)，就需要把θ角控制在合適的范圍內(nèi)才可以使小車(chē)不至于傾倒。

通過(guò)研究分析，我們得出：當(dāng)θ為零時(shí)或者接近0時(shí)車(chē)體保持平衡，而當(dāng)θ角超過(guò)平衡的角度范圍是就趨于傾倒，這時(shí)當(dāng)θ角變大時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)獲取θ角的大小，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)θ角的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使θ角基本為0從而保證車(chē)體的平衡。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

主控芯片：

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex?-M0，M0+，M3， M4和M7內(nèi)核。相對(duì)其他的單片機(jī)，具有主頻高、價(jià)格便宜、外設(shè)功能多的特點(diǎn)。而且操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，有專門(mén)的軟件庫(kù)可供使用，操作、調(diào)試比較便宜，考慮到平衡小車(chē)功耗低的要求，STM32能在這方面滿足要求。因此我們選擇STM32作為主控芯片。

傳感器：

目前自平衡車(chē)傾角一般采用陀螺儀或加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。為了使自平衡小車(chē)能夠在轉(zhuǎn)向、速度控制、抗干擾等穩(wěn)定性上有比較大的性能提升， 單純利用其中一種傳感器采集到的信號(hào)存在極大誤差，無(wú)論是加速度計(jì)還是陀螺儀，都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，無(wú)法滿足自平衡車(chē)直立控制的需要。因?yàn)橐粋€(gè)傳感器通常不可靠。因此采用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量?jī)A角，最后選擇均有IIC接口的L3G4200陀螺儀傳感器和ADXL345加速度傳感器。

電機(jī)選擇方案：

步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有電刷，可靠性較高，使用壽長(zhǎng)命；具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本較低；在速度控制方面，速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。而且具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。綜上優(yōu)點(diǎn)十分適合自平衡車(chē)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)。

4 技術(shù)路線

首先通過(guò)搭建兩輪平衡車(chē)的硬件電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，硬件電路主要包括電源電路、陀螺儀和加速度電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、無(wú)線遙控電路等；其次進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，主要包括控制電機(jī)的PID算法控制器的設(shè)計(jì)以及對(duì)陀螺儀和加速度進(jìn)行濾波的卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行系統(tǒng)整合和相關(guān)的系統(tǒng)功能，通過(guò)不斷的調(diào)整使小車(chē)處于平衡的狀態(tài)。

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作者簡(jiǎn)介：王磊（1982-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生在讀，中級(jí)講師。