基于STM32平衡車控制算法的研究

藍東浩　王強　吳司林

摘要：平衡車作為近幾年新出現的代步工具，它的技術還在不斷完善和拓展中。為了單片機更精準對雙輪平衡車的控制，本項目小組提出了基于32位單片機的平衡車控制算法的研究。平衡車的平衡原理是通過對車體自身姿態的解算，控制共軸平行雙輪的相對獨立運動保持平衡，平衡車控制系統由CPU、陀螺儀、姿態傳感器、輪轂電機、電機驅動和蓄電池六大部分組成。STM32F103芯片作為最常用的32位單片機芯片，其數據處理速度和邏輯運算能力完全能夠勝任平衡車控制算法的要求。

關鍵詞：STM32單片機；平衡車；PID算法；陀螺儀

中圖分類號：TN919.6文獻標識碼：A

雙輪平衡車控制系統是一個集速度信息采集、姿態信息分析并加以處理控制的復雜系統，在達到車體動態平衡的同時，還能按照使用者的實時操作完成相應的動作，因此核心處理器應具有較強的數據處理能力和較快的響應速度。

1 平衡算法

平衡車最基本的功能是能夠實現運動的動態平衡，也就是在啟動后保持直立不倒，平衡車用負反饋實現對車體的平衡控制，當車身在重力方向上發生角度偏移，陀螺儀傳感器能測出運動的角速度，通過積分算法將得到車體在豎直方向偏移的角度。本算法擬使用MPU6050陀螺儀傳感器。MPU6050是整合性6軸處理器，結合陀螺儀與加速度計，相對于其他方案，完美解決了陀螺儀與加速器存在時間差的問題。該單片機系統是數字系統，因此采用離散型PID算法，PID算法是平衡車算法的核心算法，也是目前已知的連續系統中技術最成熟、調節效果最好、使用場合最廣的精準控制算法之一。實際運用中使用靈活，PID算法將給定值與返回值的偏差按比例、積分、微分通過各自的調節系數進行函數運算。PID算法的另一個優點是允許比例、積分、微分各自調節系數為零。每個系統的電機參數，驅動電路都不同，因此PID調節系數也不同，對于平衡車系統，陀螺儀水平安裝，給定值為陀螺儀的角度初始值，考慮安裝偏差設置補償角。程序：

int PID（float A）

{

Kie=Kie+（A+K）；

Kde=（A+K）Kde；

pwm_num=Kp*（A+K）Kd*（Kde）+ki*（Kie）；

pwm=（int）pwm_num；

return pwm；

}

2 速度控制算法

速度控制分為前進速度控制和轉向速度控制，左右兩輪速度差的大小和傾斜角成正比，當傾斜角增大，相應的速度差也應該越大。因為直立平衡控制中系統把速度控制和轉向控制當作干擾，所以調節起伏過大將嚴重影響平衡。但平衡車勻速向前運動時不能直接利用傾斜角來判斷速度大小，因為此時不能得出平衡車的偏移角。在平衡車控制系統中速度控制以及轉向控制屬于平衡車控制系統中的輔助控制。平衡車傾斜時，如圖重力正交分解成軸向力F1和向前力F2，輪轂電機在地面以一定的速度v滾動時產生于F2方向相反大小相等的摩擦力f，達到新的動態平衡。輪轂電機帶有霍爾編碼器，STM32單片機只需采集編碼器即可隨時獲取車輪的轉速，車輪直徑固定不變，可以求出車體速度，再將速度按速度比例加在平衡控制的期望值中。

3 電機驅動

運動過程中，STM32平衡車的輪轂電機獨立運動，需要較快的響應速度，在慣性環節結束前動作，所以供電電源是影響整體性能的關鍵之一，較好的供電方案采用大功率MOS管，以橋式結構驅動，同時注意主控電路與驅動電路的隔離。

4 結論

STM32平衡車控制算法在實際工程運用中具有良好的適應性，針對不同的產品只需修改其中相應的參數，就能達到精確控制的效果。結合STM32庫函數編程方式，能極大縮短產品的研發周期和快速檢修故障。并且STM32F103單片機價格低廉，性價比高。適合產品大范圍推廣和生產。

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