基于STM32自平衡立方體系統(tǒng)的設(shè)計

張明波 王磊 黃鋆 李知承 吳貴芳

摘 要：主要介紹由STM32為核心部件設(shè)計形成的智能自平衡立方體系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別是主控模塊、電源模塊、帶動量輪電機模塊和MPU6050模塊，并通過姿態(tài)解算與電機控制程序，配合自抗擾控制算法實現(xiàn)立方體單邊自動平衡，實驗表明，該系統(tǒng)能夠滿足自平衡的需求，且成本低，實現(xiàn)簡單。

關(guān)鍵詞：自平衡立方體，動量輪，模塊設(shè)計

1引言

目前控制領(lǐng)域的物體自平衡是單片機開發(fā)的重要應(yīng)用之一，且取得了顯著的成果。一般的自平衡項目選擇開發(fā)平衡小車，使用加速度傳感器、傾角傳感器、超聲波傳感器、電機控制等模塊協(xié)同配合，通過車整體的前后運動達到自平衡的目的。本次設(shè)計的自平衡立方體在包含加速度傳感器、傾角傳感器、一般電機模塊外，額外使用了動量輪作為立方體平衡的動力來源，取代平衡小車整體移位的平衡方式，采用角動量傳遞保持自身平衡。

該系統(tǒng)主要包括四大模塊，分別是主控模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊和MPU6050模塊。

2系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.1主控模塊

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路，基于使用Cortex-M3內(nèi)核，是一個32位處理器內(nèi)核，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖，可以滿足自平衡立方體的控制需求。

2.2電源模塊

電源模塊方塊采用12V航模電池作為初始電源，經(jīng)LM2596T芯片轉(zhuǎn)換后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓輸出，為后續(xù)的各個模塊供電

2.3電機驅(qū)動模塊

TB6612FNG是東芝半導體公司生產(chǎn)的一款直流電機驅(qū)動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機。它無需外加散熱片，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動電機，利于減小系統(tǒng)尺寸。對于PWM信號輸入頻率范圍，高達100kHz的頻率更是足以滿足我們大部分的需求。AO1和AO2分別接到電機的+和-。然后通過PWMA、AIN2、AIN1控制電機。其中PWMA接到單片機的PWM引腳，一般10Khz的PWM即可，并通過改變占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。本項目開發(fā)僅使用其中一路驅(qū)動。

2.4 MPU6050模塊

MPU6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。芯片也包含豐富的軟件封裝庫，開發(fā)較簡單。

3系統(tǒng)控制算法設(shè)計

系統(tǒng)采用自抗擾控制算法，該算法是以系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)被控輸出和上一步計算出的控制量為其輸入，確定出新的控制量的控制方法，由跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋構(gòu)成。自抗擾的機理在于將作用于被控對象的所有不確定因素歸結(jié)為擾動，利用對象的輸入輸出數(shù)據(jù)對總擾動進行估計補償，如圖1所示。

本文設(shè)計了一種自平衡立方體，從硬件、軟件以及算法分別進行研究，通過姿態(tài)解算與PWM電機控制程序，配合自抗擾控制算法實現(xiàn)立方體單邊自動平衡。本設(shè)計成本較低，具有較好的人機交互特性，調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點。

參考文獻

[1].劉旭航，劉小雄，章衛(wèi)國，等. 基于加速度修正模型的無人機姿態(tài)解算算法[J]. 西北工業(yè)大學學報，2021，39（1）：175-181.

[2].宋吉廣，王繼銘，梁利華，等. 舵鰭聯(lián)合自抗擾主從控制策略設(shè)計[J]. 控制理論與應(yīng)用，2021，38（2）：264-274.

[3].張釗，楊忠，段雨瀟，等. 主動變形四旋翼自抗擾飛行控制方法[J]. 控制理論與應(yīng)用，2021，38（4）：444-456.

作者簡介：張明波（2000.04-），男，漢族，山西長治人，本科生。

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