基于STM32的兩輪可控自平衡小車設計

王兆康 郝軍迪 張龍 王尊

摘要：目前，國內市場上的平衡車琳瑯滿目，但多數功能單一，價格昂貴，平衡性與穩定性也有待提高。針對這一問題，設計了基于STM32的可控兩輪自平衡小車，本文主要介紹了該設計的先進性、可靠性。通過一系列的試驗表明，本文所介紹的智能小車具有控制方便、系統穩定、功能豐富、成本低廉等優點。

關鍵詞：兩輪可控自平衡小車;STM32;硬件電路;軟件算法

自平衡小車自問世至今，便受到研究人士的廣泛關注，迅速成為理想的控制理論研究平臺，同時它也成為商家眼中的巨大商機，很多商家已將其投入運輸、承載、代步等商業用途中使用，雖然仍存在很多問題，但同樣創造了可觀的收益。提起兩輪車，人們大多都會想起摩托車、自行車甚至是兩輪手推車等，其主要特點是兩個輪子處于同一平面，其靜態穩定性很差，而兩輪可控自平衡小車在傳統兩輪車的基礎上進行了功能上的突破，它有著極為突出的特色：兩個輪子處于共軸的平行平面上，運動方式為差動式，零半徑轉向，根據倒立擺原理達到動態平衡狀態。世界上最早對自平衡小車進行研究的是美國發明家狄恩·卡門（Dean Kamen），其所研發的第一臺平衡小車售價高達7萬人民幣，而且其平衡性、穩定性都有著很大的提升空間，近年來中國市場上所銷售的自平衡小車也都面臨著相似的問題：平衡性、可靠性差，價格高昂，功能單一。如何提高平衡小車的穩定性、可靠性，降低生產成本，豐富其功能是本文所要解決的主要問題。

本文設計的自平衡小車增加了藍牙模塊和顯示功能，可以通過手機安裝相應的APP進行具有遠程遙控并實時了解小車的狀態，這大大增加了小車操作的可控性，也方便了調試。微處理器選用基于ARM內核的STM32，不僅具有低功耗和高性價比的特點，而且大大降低了生產成本，其他所需的電子器件在市面上也都較為常見且價格低廉，完全滿足了設計平衡車的需求。

1 系統總體設計

本系統的主控芯片采用STM32，電源模塊選用航模電池，小車的實施狀況通過陀螺儀MPU-6050和加速度傳感器進行采集，然后通過IIC接口發送給主控芯片STM32，所接受數據經主控芯片STM32分析后，主控芯片作出相應反應通過改變馬達轉速從而控制小車狀態。另一方面，從手機端APP發送過來的指令也可經主控芯片STM32分析后，通過主控芯片STM32控制小車做出相應操作，結構框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

STM32主控模塊：本系統所采用的主控芯片為意法半導體公司推出的ARM Cortex-M3內核的32位單片機stm32f103RB，其具有能力強、運算快、功耗低的特點，內部集成了FLASH、SRAM、PWM、SPI、IIC、USART、TIMER、AD等多種模塊，被廣泛用于工業控制領域。

電源供電模塊：本系統所采用的供電模塊為航模電池，其輸出電壓為12V，由于各模塊對電壓要求不同，因此將12V電壓通過低壓差線性穩壓器LM2940轉換成5V電壓，對藍牙模塊和陀螺儀傳感器進行供電;將5V電壓通過低壓差線性穩壓器LT1117轉換成3.3V電壓，進而對測速模塊和主控芯片STM32等進行供電。

陀螺儀傳感器模塊：本系統所采用的陀螺儀傳感器型號為MPU-6050，其內部功能較為豐富，不僅兼具了加速度傳感器和陀螺儀傳感器的功能，還有開源的協處理器。另外，將額外的數字傳感器接在IIC通用串行數據傳輸口，還可進一步的進行功能拓展。采用ICC接口實現主控芯片與陀螺儀傳感器MPU-6050的通信，主要由于IIC接口的硬件連接方式相對簡單，數據的傳輸只需借助SDA數據線和SCL時鐘線兩根線即可完成，而且在速度方面也毫不遜色，完全滿足本系統的設計要求。

測速模塊：本系統所采用的測速方法為光柵法，即將一個均勻分布有扇形槽孔的轉盤安裝在馬達軸上，紅外發射端和紅外接收端分別固定在轉盤的兩端，在馬達工作過程中，轉盤一側的紅外接收端會收到相應的PULSE信號，并對單位時長內的PULSE信號進行記錄，根據所記錄的PULSE信號數據便可計算出馬達的旋轉速率。

藍牙模塊：本系統所選用的藍牙模塊為ZK-07，它是新一代的無線藍牙數傳模塊，用戶只需進行簡單的設置與編寫簡單的傳輸程序，就能夠透明傳輸任何大小的數據。在通信傳輸過程中，藍牙模塊各種參數的調節可通過AT命令實現，比如修改串口傳輸波特率，修改藍牙模塊名稱，通信測試等。采用USARTA1接口實現藍牙模塊與主控芯片之間的通信，當自平衡小車上的ZK-07模塊與手機端的藍牙匹配成功后，數據通信功能便可得到實現，在手機APP端發送給小車相應的指令，小車上的藍牙模塊接收相應命令后便可做出相應的回應，如調整自身前進姿態，調整行駛速度以及左右轉向等。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括如下內容：各類外設及模塊驅動，陀螺儀傳感器MPU-605驅動、加速度傳感器驅動、定時器驅動、PWM外設驅動、IIC驅動、USART驅動;各外設及模塊的初始化，小車車輪速度的測量，小車姿態數據的獲取以及濾波，適配本系統的PID算法。軟件系統的運行過程如圖2所示。

4 結語

本文介紹了一種基于STM32微處理器的兩輪可控自平衡小車的設計。本系統應用陀螺儀傳感器、超聲波模塊、紅外接收模塊等從硬件角度構建了一個自平衡系統，以uCOS-II為軟件系統進行了一系列的軟件設計，并對自平衡小車系統進行了相關的功能拓展。 實驗證明，該系統控制方便、系統穩定、功能豐富、成本低廉，可用于野外拍攝，商業運輸等途徑。

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