基于STM32的自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭海麗

（衡水學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北衡水 053000）

0 引言

如今的自平衡車已成為人們出行的交通工具，平衡車涵蓋了嵌入式技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)，是電子技術(shù)的結(jié)晶。平衡車可以在很小空間中運(yùn)作，也可以成為出行的代步工具，其具有低功耗、環(huán)保、方便、高效等特點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。自平衡車沒(méi)有其他交通工具的固有機(jī)械構(gòu)造，通過(guò)軟件程序與硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性，所用算法多種多樣，實(shí)現(xiàn)的效果越來(lái)越顯著。雙輪自平衡車將單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制及控制算法有機(jī)的結(jié)合到一起，是研究控制程序以及傳感器應(yīng)用的理想平臺(tái)。本設(shè)計(jì)通過(guò)利用STM32 主控芯片和MPU6050 芯片，實(shí)現(xiàn)兩輪小車的自平衡，并通過(guò)2.4G 無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)小車方向的控制。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

通過(guò)改變所用電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及方向?qū)崿F(xiàn)小車的自平衡，而且可以用無(wú)線遙控進(jìn)行控制，達(dá)到以下要求。

（1）可通過(guò)串口屏對(duì)小車狀態(tài)進(jìn)行無(wú)線調(diào)節(jié)，控制小車運(yùn)動(dòng)。

（2）用可調(diào)電阻控制小車上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，用來(lái)拿取并放置物體。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

以穩(wěn)定、安全、可靠為設(shè)計(jì)原則。平衡車已逐漸進(jìn)入人們的生活，所以其車體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，其他一切操作都要在保證車體穩(wěn)定的前提下進(jìn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證車體重心在車輪中軸線上。同時(shí)提高對(duì)角度測(cè)量的準(zhǔn)確性，以此保證車體的穩(wěn)定。隨后完成小車的前后運(yùn)動(dòng)及對(duì)機(jī)械臂抓取物體的控制等。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

小車整體從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，自下而上依次為電機(jī)驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用控制層、整體受力層。電機(jī)驅(qū)動(dòng)層直接控制電機(jī)輪子的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使其實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)及加減速，以此來(lái)達(dá)到小車的平衡狀態(tài)。當(dāng)然電機(jī)驅(qū)動(dòng)層只是被動(dòng)接受命令，真正的指令由控制層發(fā)出。它通過(guò)安裝在小車車體及車輪電機(jī)上的傳感器來(lái)獲取到小車當(dāng)前的狀態(tài)。經(jīng)處理運(yùn)算后發(fā)出正確的命令來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以該層為小車控制的核心。受力層顧名思義為整個(gè)車體的承重部分。受力層如果穩(wěn)定堅(jiān)固，小車本身能承載的重量也越重。

該系統(tǒng)以STM32F103RCT6 單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)集成加速度與角度的六軸傳感器MPU6050 來(lái)獲取小車當(dāng)前狀態(tài)。MPU6050 該芯片采用IIC 通信，減少STM32 芯片IO 口的占用。小車整體主要由主控部分、電源模塊、無(wú)線傳輸模塊、六軸傳感器姿態(tài)采集模塊、平衡相關(guān)驅(qū)動(dòng)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

主控芯片和周圍器件組成的電路是控制的核心。其作用相當(dāng)于人類的頭腦，一切命令都由它傳遞。本設(shè)計(jì)所用的主控芯片是STM32F103RCT6。單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位、下載、系統(tǒng)時(shí)鐘及整流濾波等4 部分組成。

2.2 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用12 V 可充電鋰電池組進(jìn)行供電，通過(guò)降壓模塊逐級(jí)降壓，得到系統(tǒng)各模塊的工作所需電壓。各模塊之間電壓不同，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的電壓為12 V，顯示電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片需要5 V 電壓驅(qū)動(dòng)，STM32 需要3.3 V 的電壓。因此為避免各電源間互相干擾，設(shè)計(jì)中采取了電容濾波措施。

2.3 無(wú)線控制模塊電路

NRF24L01 無(wú)線通信模塊的通信方式為SPI 通信，該模塊功耗非常低，且對(duì)環(huán)境要求相對(duì)較小。處于發(fā)射模式時(shí)，工作電流僅為9 mA；處于接收模式時(shí)，工作電流為12.3 mA。由于此模塊對(duì)電源及信號(hào)要求較高，所以在供電部分及天線端添加濾波電容。保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ａ硗猓撔酒炀€周圍不能有金屬（敷銅、走線等），NRF24L01 模塊電路如圖2 所示。

圖2 NRF24L01 模塊電路

2.4 MPU6050 傳感器電路

本設(shè)計(jì)中的MPU6050 傳感器是整個(gè)設(shè)計(jì)尤為重要的一部分，相當(dāng)于人的雙眼，用于獲取當(dāng)前車體的狀態(tài)，它的準(zhǔn)確程度直接決定小車整體的穩(wěn)定性。其中INT 引腳每5 ms 產(chǎn)生一次中斷，將其直接接入單片機(jī)IO 口，為程序提供5 ms 間隔的中斷。通過(guò)IIC 接口直接輸出經(jīng)過(guò)處理的四元數(shù)，無(wú)需額外轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)更加方便，MPU6050 傳感器電路如圖3 所示。

圖3 MPU6050 傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要由MPU6050 芯片、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等構(gòu)成。軟件部分通過(guò)MPU6050 每5 ms 提供的外部中斷執(zhí)行控制函數(shù)。本設(shè)計(jì)軟件總體流程如圖4 所示，系統(tǒng)上電后先執(zhí)行初始化。然后進(jìn)入主循環(huán)。一旦有外部中斷產(chǎn)生，則開(kāi)始檢測(cè)處理，控制電機(jī)保持小車平衡，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6 單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的平衡控制；且可以用遙控控制小車運(yùn)動(dòng)，及機(jī)械臂抓取物體的功能。上電后小車保持平衡狀態(tài)，用手輕輕推動(dòng)小車，車體經(jīng)過(guò)晃動(dòng)后仍能保持平衡狀態(tài)。通過(guò)無(wú)線遙控發(fā)送前進(jìn)后退指令控制小車，小車在接收到命令后可以做出正確的響應(yīng)。同時(shí)也可用遙控分別控制車上4 個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，來(lái)抓取物體。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的測(cè)試，小車平衡性良好，對(duì)遙控指令可以及時(shí)準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，整體系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。