基于STM32控制的雙輪自平衡小車的設計

李帥男

（吉林化工學院， 吉林 吉林 132000）

引言

隨著嵌入式技術，微電子技術和控制算法的進步，智能化越來越成為當今社會發展的風向標，而兩輪自平衡車正是其中的一個熱點。在世界各個國家中，不論是高校、實驗室、商業公司，兩輪自平衡小車的研究越來越多，因為不管是在民用，科研還是軍用方面其有著巨大的應用前景，在民用方面，電動兩輪代步平衡車已經投放市場，走入用戶家庭中，它綠色環保，轉彎控制方便，無剎車系統，占用地方小，正是這些優勢改變著人們的出行方式；在科研方面，有些在很特殊復雜的空間下，比如狹小、危險、黑暗的環境，兩輪小車可以更加利用自己的優勢來代替人們執行特殊的任務[1]。

2 系統硬件系統

2.1 STM32f103c8單片機簡介

STM32f103是意法半導體公司新推出的新一代增強型32位芯片，它高度集成且容易開發，它采用的是高性能的RISC內核，運行頻率是72 MHz，內部放置了高性能的存儲圣杯，有128 kB閃存，2萬字節的靜態隨機存儲器，很多的輸入輸出引腳和2個外圍總線的外部設備。這個系列的所有型號都有2個12位的模數轉換器，還有三個16位的定時器，1個脈沖寬度調節定時器，還有很多快速和通用制度的接口用于傳輸信息，兩個串行工作總線和串行外設接口，3個全雙工通用同步/異步串行收發模塊，1個通用串行總線接口和1個控制器局域網絡接口。供電電壓在2.0～3.6 V之間，工作溫度在-40～85 ℃之間[2]。

2.2 MPU6050姿態傳感器簡介

MPU6050內含有三軸的Micro-Electro-Mechanical System微機電系統陀螺儀，三軸的微機電系統加速度計，還有可以不斷擴充的數字運動處理器件Digital Motion Processor，使用同步串行總線可以通信其它的數字型模塊，陀螺儀和加速度計都有3個數模轉換器，因為測量的是模擬量，通過數模轉換器，可以變為數字量，因為要捕捉速度不定的移動狀態，操控者需要選擇不同的范圍，陀螺儀和加速度計的選擇范圍非常豐富，每個有四個梯度[3]。MPU6050如圖1所示。

圖1 MPU6050示意圖

2.3 電機驅動模塊TB6612FNG

在本次設計中用TB6612FNG模塊作為直流電機的驅動模塊，它對電機有很好的控制和保護作用，可以隨意調節電流大小，避免了沖擊電流對電機繞組的影響，控制非常方便，調速很快捷，這款芯片的集成程度都非常的高，驅動能力也是非常強悍，運行速度快，能耗方面也非常優秀[4]。在眾多型號中，它有著出色的性價比優勢，也很適合本次平衡小車的設計，所以選用此款芯片。

3 系統軟件設計

如圖2所示，給主控板供電后，程序開始運行，運行內容分為兩個方面，一部分是應用到模塊的初始化還有一部分是應用程序的初始化。第一部分是系統所有部分的初始化運行，所有的程序由MCU燒錄工具MCU-ISP提供產生。另一部分是各個應用模塊的初始化，是對所有程序中要使用到的變量值進行初始賦值。

圖2 系統程序流程圖

初始化工作完成后，中斷程序運行，可以把定時中斷定為5 ms，中斷開始后，中斷子程序開始運行，這時可以調整優先級調用各個其它程序塊的函數，中斷的運用是系統程序運行的重點所在。在中斷子程序中，MCU通過IIC與MPU6050進行通訊，可以快速得到雙輪車的加速度值和角速度值，對從姿態模塊傳送來的角度信息使用PID算法進行分析與計算后，將程序運算結果通過PWM與I/O口的高低電平輸出電機驅動模塊再輸送到電機，可以實現對小車的閉環直立控制。

4 結語

系統的硬件系統以意法半導體公司的STM32f103c8T6為控制核心，使用MPU6050檢測小車的車身姿態，通過TB6612FNG驅動兩個直流減速電機，使雙輪小車平衡直立。軟件系統設計中，根據單片機使用手冊設置各個寄存器；根據IIC總線協議編寫通信程序，并且根據芯片說明配置MPU6050芯片。使用互補濾波融合加速度計與陀螺儀數據并實現角度控制。使用PID算法計算角度控制與速度控制的最終輸出量。最終實現了對雙輪自平衡小車的平衡控制，使得小車在沒有外力干擾下能自主實現直立。