基于STM32的兩輪可控自平衡小車(chē)設(shè)計(jì)

王兆康 郝軍迪 張龍 王尊

摘要：目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的平衡車(chē)琳瑯滿目，但多數(shù)功能單一，價(jià)格昂貴，平衡性與穩(wěn)定性也有待提高。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于STM32的可控兩輪自平衡小車(chē)，本文主要介紹了該設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、可靠性。通過(guò)一系列的試驗(yàn)表明，本文所介紹的智能小車(chē)具有控制方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：兩輪可控自平衡小車(chē);STM32;硬件電路;軟件算法

自平衡小車(chē)自問(wèn)世至今，便受到研究人士的廣泛關(guān)注，迅速成為理想的控制理論研究平臺(tái)，同時(shí)它也成為商家眼中的巨大商機(jī)，很多商家已將其投入運(yùn)輸、承載、代步等商業(yè)用途中使用，雖然仍存在很多問(wèn)題，但同樣創(chuàng)造了可觀的收益。提起兩輪車(chē)，人們大多都會(huì)想起摩托車(chē)、自行車(chē)甚至是兩輪手推車(chē)等，其主要特點(diǎn)是兩個(gè)輪子處于同一平面，其靜態(tài)穩(wěn)定性很差，而兩輪可控自平衡小車(chē)在傳統(tǒng)兩輪車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能上的突破，它有著極為突出的特色：兩個(gè)輪子處于共軸的平行平面上，運(yùn)動(dòng)方式為差動(dòng)式，零半徑轉(zhuǎn)向，根據(jù)倒立擺原理達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。世界上最早對(duì)自平衡小車(chē)進(jìn)行研究的是美國(guó)發(fā)明家狄恩·卡門(mén)（Dean Kamen），其所研發(fā)的第一臺(tái)平衡小車(chē)售價(jià)高達(dá)7萬(wàn)人民幣，而且其平衡性、穩(wěn)定性都有著很大的提升空間，近年來(lái)中國(guó)市場(chǎng)上所銷售的自平衡小車(chē)也都面臨著相似的問(wèn)題：平衡性、可靠性差，價(jià)格高昂，功能單一。如何提高平衡小車(chē)的穩(wěn)定性、可靠性，降低生產(chǎn)成本，豐富其功能是本文所要解決的主要問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的自平衡小車(chē)增加了藍(lán)牙模塊和顯示功能，可以通過(guò)手機(jī)安裝相應(yīng)的APP進(jìn)行具有遠(yuǎn)程遙控并實(shí)時(shí)了解小車(chē)的狀態(tài)，這大大增加了小車(chē)操作的可控性，也方便了調(diào)試。微處理器選用基于ARM內(nèi)核的STM32，不僅具有低功耗和高性價(jià)比的特點(diǎn)，而且大大降低了生產(chǎn)成本，其他所需的電子器件在市面上也都較為常見(jiàn)且價(jià)格低廉，完全滿足了設(shè)計(jì)平衡車(chē)的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32，電源模塊選用航模電池，小車(chē)的實(shí)施狀況通過(guò)陀螺儀MPU-6050和加速度傳感器進(jìn)行采集，然后通過(guò)IIC接口發(fā)送給主控芯片STM32，所接受數(shù)據(jù)經(jīng)主控芯片STM32分析后，主控芯片作出相應(yīng)反應(yīng)通過(guò)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂菩≤?chē)狀態(tài)。另一方面，從手機(jī)端APP發(fā)送過(guò)來(lái)的指令也可經(jīng)主控芯片STM32分析后，通過(guò)主控芯片STM32控制小車(chē)做出相應(yīng)操作，結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STM32主控模塊：本系統(tǒng)所采用的主控芯片為意法半導(dǎo)體公司推出的ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)stm32f103RB，其具有能力強(qiáng)、運(yùn)算快、功耗低的特點(diǎn)，內(nèi)部集成了FLASH、SRAM、PWM、SPI、IIC、USART、TIMER、AD等多種模塊，被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

電源供電模塊：本系統(tǒng)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(duì)電壓要求不同，因此將12V電壓通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器LM2940轉(zhuǎn)換成5V電壓，對(duì)藍(lán)牙模塊和陀螺儀傳感器進(jìn)行供電;將5V電壓通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器LT1117轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，進(jìn)而對(duì)測(cè)速模塊和主控芯片STM32等進(jìn)行供電。

陀螺儀傳感器模塊：本系統(tǒng)所采用的陀螺儀傳感器型號(hào)為MPU-6050，其內(nèi)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(kāi)源的協(xié)處理器。另外，將額外的數(shù)字傳感器接在IIC通用串行數(shù)據(jù)傳輸口，還可進(jìn)一步的進(jìn)行功能拓展。采用ICC接口實(shí)現(xiàn)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(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的傳輸只需借助SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)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(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

測(cè)速模塊：本系統(tǒng)所采用的測(cè)速方法為光柵法，即將一個(gè)均勻分布有扇形槽孔的轉(zhuǎn)盤(pán)安裝在馬達(dá)軸上，紅外發(fā)射端和紅外接收端分別固定在轉(zhuǎn)盤(pán)的兩端，在馬達(dá)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)一側(cè)的紅外接收端會(huì)收到相應(yīng)的PULSE信號(hào)，并對(duì)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的PULSE信號(hào)進(jìn)行記錄，根據(jù)所記錄的PULSE信號(hào)數(shù)據(jù)便可計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速率。

藍(lán)牙模塊：本系統(tǒng)所選用的藍(lán)牙模塊為ZK-07，它是新一代的無(wú)線藍(lán)牙數(shù)傳模塊，用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置與編寫(xiě)簡(jiǎn)單的傳輸程序，就能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)。在通信傳輸過(guò)程中，藍(lán)牙模塊各種參數(shù)的調(diào)節(jié)可通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)，比如修改串口傳輸波特率，修改藍(lán)牙模塊名稱，通信測(cè)試等。采用USARTA1接口實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與主控芯片之間的通信，當(dāng)自平衡小車(chē)上的ZK-07模塊與手機(jī)端的藍(lán)牙匹配成功后，數(shù)據(jù)通信功能便可得到實(shí)現(xiàn)，在手機(jī)APP端發(fā)送給小車(chē)相應(yīng)的指令，小車(chē)上的藍(lán)牙模塊接收相應(yīng)命令后便可做出相應(yīng)的回應(yīng)，如調(diào)整自身前進(jìn)姿態(tài)，調(diào)整行駛速度以及左右轉(zhuǎn)向等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括如下內(nèi)容：各類外設(shè)及模塊驅(qū)動(dòng)，陀螺儀傳感器MPU-605驅(qū)動(dòng)、加速度傳感器驅(qū)動(dòng)、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)、PWM外設(shè)驅(qū)動(dòng)、IIC驅(qū)動(dòng)、USART驅(qū)動(dòng);各外設(shè)及模塊的初始化，小車(chē)車(chē)輪速度的測(cè)量，小車(chē)姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以及濾波，適配本系統(tǒng)的PID算法。軟件系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于STM32微處理器的兩輪可控自平衡小車(chē)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)應(yīng)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(gòu)建了一個(gè)自平衡系統(tǒng)，以u(píng)COS-II為軟件系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)自平衡小車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的功能拓展。 實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)控制方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能豐富、成本低廉，可用于野外拍攝，商業(yè)運(yùn)輸?shù)韧緩健?/p>

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