基于MSP430的雙輪載人自平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈麗君

（江蘇省連云港中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇連云港222000）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、多傳感在線檢測(cè)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，雙輪載人自平衡車(chē)憑借其成本低、體積小和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為人們出行首選的代步工具。雙輪載人自平衡車(chē)是由一級(jí)直線倒立擺和環(huán)形倒立擺組成的結(jié)合體，其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，具有明顯的非線性、強(qiáng)耦合和多變量特性[1-2]。對(duì)于雙輪自平衡車(chē)的控制，通常利用陀螺儀和加速度計(jì)等多傳感融合獲取自平衡車(chē)的運(yùn)行姿態(tài)，再通過(guò)反饋、自平衡和解耦控制算法調(diào)節(jié)復(fù)合倒立擺的多變量參數(shù)。然而，基于實(shí)時(shí)反饋和在線解耦的平衡車(chē)控制系統(tǒng)較少關(guān)注硬件系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，若硬件功耗過(guò)大，不僅難以支持長(zhǎng)時(shí)間行駛，而且極易因過(guò)熱而燒損硬件。因此，利用超低功耗MSP430單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了平衡車(chē)的控制系統(tǒng)，在確保平衡車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)的前提下盡量降低硬件系統(tǒng)的功耗。

1 總體方案設(shè)計(jì)

平衡車(chē)控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，主要包括主控制器、檢測(cè)和執(zhí)行模塊等三部分。

圖1 總體方案

檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集雙輪自平衡車(chē)的行駛參數(shù)，三維陀螺儀和加速度計(jì)分別檢測(cè)平衡車(chē)的傾角及其變化速度，速度傳感器監(jiān)測(cè)平衡車(chē)的行駛速度。執(zhí)行模塊為平衡車(chē)的左輪和右輪驅(qū)動(dòng)電路，響應(yīng)主控制器對(duì)平衡車(chē)行駛參數(shù)的實(shí)時(shí)處理，在線控制傾角和速度。主控制器在線處理檢測(cè)模塊反饋的傾角、傾角變化速度和行駛速度等參數(shù)，負(fù)責(zé)響應(yīng)檢測(cè)模塊、調(diào)度執(zhí)行模塊。

2 雙輪載人自平衡車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以MSP430F5438A單片機(jī)為核心，外圍設(shè)置速度和姿態(tài)傳感器、信號(hào)調(diào)理、串行通信RS-232接口、藍(lán)牙、供電與電源監(jiān)測(cè)、左輪和右輪驅(qū)動(dòng)電路等模塊。MSP430F5438A單片機(jī)具有功耗低（正常工作損耗290 μA/MIPS）、外設(shè)資源豐富、開(kāi)發(fā)環(huán)境友好和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，能通過(guò)精簡(jiǎn)的RISC指令大幅提高自平衡車(chē)行駛過(guò)程中參數(shù)的在線整定和控制能力。MSP430單片機(jī)提供便于在線調(diào)試和下載的JTAG接口，僅需配置3.3 V電源、復(fù)位按鍵、8 MHz高速晶振和32.768 kHz低速晶振即可實(shí)現(xiàn)對(duì)MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)建，從而方便監(jiān)控平衡車(chē)整體的運(yùn)行過(guò)程。串行通信RS-232接口負(fù)責(zé)與外部PC或測(cè)試設(shè)備建立通信與測(cè)試連接，硬件采用MAX3232芯片開(kāi)發(fā)，將與平衡車(chē)監(jiān)控相關(guān)的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平。

姿態(tài)傳感器選用包含3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀的MPU-6050，傾角測(cè)量范圍±250°、加速度范圍不小于±2g。在平衡車(chē)行駛過(guò)程中，MPU-6050芯片功耗較低[3]，每個(gè)軸監(jiān)測(cè)的傾角和加速度信號(hào)分別通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換AD和MSP430的IIC接口反饋回主控制器。藍(lán)牙通信負(fù)責(zé)與用戶移動(dòng)終端上的APP建立數(shù)傳通道，期望利用極低的功率損耗實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)平衡車(chē)行駛過(guò)程中運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄反饋。藍(lán)牙模塊采用HC-05，通過(guò)TX/RX引腳連接可實(shí)現(xiàn)平衡車(chē)對(duì)藍(lán)牙通信功能的定制需求。

雙輪載人自平衡車(chē)采用鋰電池供電，通過(guò)降壓芯片LMR23615將鋰電池的24 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，進(jìn)而為主控制器MSP430、姿態(tài)傳感器MPU-6050和藍(lán)牙HC-05提供穩(wěn)壓電源。電池溫度和電壓等參數(shù)監(jiān)測(cè)采用BQ40Z80電能監(jiān)控芯片，由MSP430與BQ40Z80間的SMBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池供電狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)[4]。雙輪載人自平衡車(chē)的左輪和右輪驅(qū)動(dòng)電路采用L298雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，由MSP430輸出PWM信號(hào)以控制左輪和右輪的速度。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由主程序、子程序和中斷等組成。主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的初始化、參數(shù)設(shè)置、輪詢(xún)和標(biāo)志位循環(huán)檢測(cè)等，雙輪載人自平衡車(chē)硬件系統(tǒng)上電初始化后，主程序按用戶設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行控制，并通過(guò)循環(huán)檢測(cè)符號(hào)標(biāo)志，按對(duì)應(yīng)的中斷和標(biāo)志位調(diào)用子程序。子程序基本功能如圖2所示。藍(lán)牙通信子程序負(fù)責(zé)與用戶終端建立聯(lián)系，既能響應(yīng)APP上傳主控制器MSP430監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速、電能等信號(hào)，又能將用戶控制指令傳輸?shù)街骺刂破鳎蛊胶廛?chē)按用戶需求運(yùn)行。卡爾曼濾波、速度和平衡控制構(gòu)成平衡車(chē)基本運(yùn)動(dòng)功能，卡爾曼濾波和比例變換將MPU-6050芯片監(jiān)測(cè)的傾角和加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為平衡車(chē)實(shí)際信號(hào)，通過(guò)解耦和PID控制調(diào)節(jié)平衡車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)平衡控制功能，同時(shí)，輪速傳感器反饋實(shí)際速度，由主控制器MSP430輸出的PWM信號(hào)和PID控制算法調(diào)節(jié)平衡車(chē)運(yùn)行速度。電能管理與監(jiān)控子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙輪載人自平衡車(chē)運(yùn)行過(guò)程中鋰電池狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，將溫度、電壓等反映電池性能的參數(shù)實(shí)時(shí)反饋回主控制器MSP430，由此判定鋰電池的使用性能。

圖2 軟件系統(tǒng)功能

3 結(jié)語(yǔ)

為提高雙輪載人自平衡車(chē)的運(yùn)行效率，降低硬件損耗，利用超低功耗芯片MSP430設(shè)計(jì)支持藍(lán)牙通信和電源監(jiān)測(cè)的雙輪載人自平衡車(chē)控制系統(tǒng)。硬件上，充分考慮硬件系統(tǒng)間的功耗問(wèn)題，研究了雙輪載人自平衡車(chē)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，采用低功耗芯片設(shè)計(jì)硬件控制系統(tǒng)，配置電源芯片管理鋰電池供電，既實(shí)現(xiàn)功耗降低，又確保自平衡車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)。軟件上，分析雙輪載人自平衡車(chē)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，采用主程序循環(huán)檢測(cè)標(biāo)志位調(diào)用子程序的方式實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信、平衡與速度控制等基本功能。