基于MC56F8013主控的兩輪平衡車的設計與制作

郭勇 羅樂 周繼平 陳濤 王宇 孫大明 廖無瑕

基金項目：2020年大學生創新創業訓練計劃省級立項項目（項目編號S202011116076），成都工業學院“2017-2020年人才培養質量和教學改革項目”，成都工業學院實驗室開放基金項目，成都工業學院引進人才科研啟動項目（項目編號175070）

摘要：兩輪平衡車是具有強耦合、不穩定、多變量等多種特點的復雜系統，而基于倒立擺模型的兩輪平衡車主要依靠平衡和操縱動力來實現系統自平衡。本論文設計了基于MC56F8013數字信號控制器的兩輪自平衡小車，自平衡車的姿態檢測與車身的平衡控制是通過MPU6050陀螺儀和TB6612電機驅動模塊實現的，通過引入藍牙模塊實現了平衡車的無線控制和路徑規劃。最終的樣車實際測試結果表明本兩輪平衡車的設計是成功的。

關鍵詞：兩輪自平衡車;MC56F8013;姿態控制;PID;電機驅動

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0077-02

1引言

近年來，兩輪自平衡車因為擁有綠色節能環保、方便靈活等多種優點因而得到了很大的發展，如今已經有很多關于這方面的研究以及相關的成熟產品問世[1-5]?，F實中，兩輪自平衡小車可看作是一種簡單的移動倒立擺模型，它是一個多變量、多輸入、強耦合的復雜控制系統，是自動控制研究領域一個永恒的經典課題。兩輪自平衡車的本質是一個自平衡的載體，它不同于自行車或者摩托車，自平衡車的兩個輪子是平行排列的。汽車能夠通過身體自身的平衡平穩地移動，而兩輪自平衡車的設計需要引入內部控制機構來控制平衡，通過控制車輛的前后傾斜來實現前進或后退。自平衡車具有體積小，結構簡單，運動靈活，適用于狹窄、危險的作業空間，在民用和軍事領域具有廣闊的應用前景。兩輪平衡車的動態特性控制是自動控制領域的經典研究對象，兩輪自平衡車已成為驗證控制算法理想平臺[6-7]，對其進行研究具有非常重要的理論意義，而且，設計并實現兩輪平衡車具有較高的經濟和應用價值。

2兩輪自平衡車的設計方法

本論文設計的兩輪自平衡車主要選用了TB6612電機驅動模塊、MPU6050陀螺儀[8]和HC-05藍牙無線通信模塊， 4.2有效發揮工業計算機和測控裝置的功能。低壓配電系統中電力自動控制的應用，須對通信信息予以關注，著重處理、搜集數據信息，并結合顯示出的畫面來完成電力控制系統情況評估、分析工作。以電力測控裝置連續測量低壓配電系統三向回路電流、電壓、功率等參數，保證各個開關量處于監視中，兩級過負荷越限警告，保證整個配電系統能夠安全、可靠、經濟、高效的運作。

在MC56F8013數字信號控制器上進行了PID控制算法[9]，通過MC56F8013控芯片實現了各模塊和電機的驅動控制?，F將MC56F8013主控控芯片和核心模塊介紹如下：

2.1 MC56F8013主控芯片。飛思卡爾公司所生產的MC56F8013數字信號控制器具有體積小（TQFP封裝），功耗低（@3.3V工作電壓），運行速度快（32MIPS），包含豐富的外設接口等特點，非常適合于本課題兩輪自平衡車的設計。

2.2 MPU6050陀螺儀。本方案采用的陀螺儀傳感器型號為MPU6050，該芯片內部同時包含陀螺儀和加速度傳感器模塊，還可通過自定義來拓展協處理器的功能。在方案實現過程中，還可以利用MPU6050的I2C通用串行數據傳輸接口來連接一個額外的數字傳感器，例如I2C溫度傳感器。此外，MPU6050還包含一個16位精度的模數轉換器，可將模擬信號量轉化為數字信號量輸出到MC56F8013數字信號控制器。為了兼顧測量范圍和測量速度，該傳感器的檢測精度和速度可由芯片內部的寄存器進行配置。

2.3 TB6612電機驅動。TB6612是一款由東芝半導體公司所生產的通用H橋驅動芯片，芯片本身可以直接流過大電流，因此，當使用TB6612芯片驅動直流電機時不需要外加額外的降壓模塊即可完成驅動工作。本設計直接使用TB6612的兩路驅動電路同時驅動兩個直流減速電機進行工作，相較與傳統的L298N H橋驅動芯片，TB6612芯片的熱耗性更好，其內部包含了二極管續流電路，使得TB6612芯片的運轉不需要外加散熱片，TB6612芯片體積較小，在緊湊的系統設計中使用更加靈活，外圍設計電路也較簡單，所以本設計選擇其作為直流減速電機的驅動控制芯片。

2.4 HC-05藍牙模塊。本次設計方案中還選用了HC-05藍牙模塊來無線控制小車的運行方向，HC-05模塊采用CSR主流藍牙芯片，支持藍牙V2.0協議標準，輸入電壓為3.6V～6V。藍牙模塊本身集成有連接狀態指示燈，通過指示燈的閃爍狀態可判斷出是否有藍牙接入，當LED狀態指示燈快速閃爍時表示沒有藍牙接入，當LED狀態指示燈慢閃時則表示有藍牙接入。MC56F8013數字信號控制器可通過通用串行接口與其進行數據傳輸。在自平衡車無線控制過程中，可以通過發送串口通信命令來調整自平衡車的控制參數，例如通過手機的藍牙接口與HC-05藍牙模塊通信并修改平衡車輛的運行速度等。

3兩輪平衡車的軟硬件設計

3.1兩輪平衡車的硬件實現。本設計搭建的硬件結構控制框圖如圖1所示，兩輪自平衡小車是由MC56F8013最小系統作為控制核心來完成自動平衡的，小車的運動速度和運動方向控制是利用智能手機自帶的藍牙模塊與兩輪平衡車的HC-05藍牙模塊進行通信實現的。MC56F8013最小系統讀取MPU6050陀螺儀的數據，通過TB6612電機驅動模塊驅動直流減速電機，以實現小車的姿態控制并使小車實現自平衡，所有的可控制參數通過OLED顯示屏進行滾動顯示，兩輪自平衡車的硬件原理圖如圖2所示。

3.2兩輪平衡車的軟件實現。軟件編程涉及的內容包括：TB6612電機驅動程序，MPU6050姿態控制程序，兩輪平衡車的濾波和小車姿態數據的獲取程序，車輪速度檢測程序，PID算法程序和藍牙通信程序。兩輪自平衡車控制系統的總程序框圖如圖3所示，程序運行后其自平衡穩定的工作狀態如圖4所示。

4結論

本論文先通過數學建模獲得了小車的PID控制參數，再由MC56F8013主控芯片運行電機驅動和控制算法程序完成對平衡車的自平衡控制。本論文涉及的硬件電路模塊的實現主要涉及MC56F8013數字信號控制器最小系統的設計、TB6612電機驅動模塊的設計，姿態控制模塊MPU6050的設計、電源供電模塊的設計和藍牙模塊HC-05的選型。兩輪自平衡車控制軟件的實現包括姿態控制子程序的設計、PID控制算法的實現、藍牙通信模塊的子程序設計、電機驅動模塊子程序設計以及自平衡控制系統主控程序的編寫等。本論文設計并制作的兩輪平衡車經軟硬件聯合調試，其不僅可以實現自平衡直線驅動和左右轉彎驅動等基本操作，還可借助智能手機完成對平衡車的運行軌跡規劃與控制，本自平衡車還可擴展如北斗導航等多種功能模塊，可作為商業兩輪自平衡車的原型驗證車。：

參考文獻：

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作者簡介：郭勇（1981年7月-），男，漢族，重慶銅梁人，博士，講師，成都工業學院，研究方向：嵌入式系統、光電子學、微波光子學。