基于STM32的雙輪自平衡小車設計實現(xiàn)

楊東澤 孫強 丁韜 賈萱 溫裕鴻 席鵬程 趙昱皓 李德玖

摘要：本項目基于STM32來設計實現(xiàn)雙輪平衡小車，硬件方面采用STM32F103R6單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，采用MPU6050陀螺儀檢測小車的自身姿態(tài)，采用兩個直流電機和兩路直流電機驅動器控制平衡小車的前進后退和轉速。同時加裝藍牙傳輸模塊將小車數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP上，通過手機APP也可以遙控小車的運行。在軟件方面，平衡小車實時讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)獲取自身姿態(tài)，并與目標姿態(tài)對比后通過PID控制兩輪的轉速和轉向，實現(xiàn)小車姿態(tài)的調整。

1.引言

如今科技發(fā)展不斷進步，但從這些年來講，移動機器人的發(fā)展越來越好，產(chǎn)業(yè)鏈也日漸完善，在生活中我們或多或少可以見到不同形式的機器人的存在。這幾年最受人們關注的莫過于平衡車了，自動平衡車的各種優(yōu)點讓它迅速成為了一種環(huán)保又舒適的綠色交通代步工具，有望成為以后未來汽車和自行車的代步品。

2.硬件設計

該系統(tǒng)由主控制器STM32單片機、電機驅動模塊、藍牙通訊模塊、直流電源模塊、液晶顯示模塊、傳感器感知模塊和速度測量模塊等部分組成。

控制器采用單片機STM32F429，該單片機使用的內(nèi)核是Cortex M4，含有DSP指令集，它內(nèi)部的SRAM

大小為256KB。該芯片的模擬量轉為數(shù)字量的轉換速度非常快，并且轉換模塊的工作供電電壓很低，內(nèi)部含有8個定時器，可同時處理32位數(shù)據(jù)，I/O端口可以復用為很多其它的功能，常用的串行接口有USART和SPI通信，該單片機最高的工作頻率可以達到180MHz ， STM32F429單片機總線訪問的速度非常快，并且該單片機擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以完全滿足本次設計要求。

顯示模塊主要是將雙輪自平衡小車的運行狀態(tài)實時的顯示到人機交互界面，使我們進一步了解雙輪自平衡小車的運行狀況。顯示模塊采用串口觸摸屏顯示，串口觸摸屏HMI就是將它的一般功能進行封裝，使用者可以通過串口USART與屏幕進行消息的交換，從而滿足用戶的要求，人機交互界面非常友好且操作性良好，用戶可以通過屏幕發(fā)送相應的指令來完成相關操作。

3.自平衡原理與控制策略

由于小車上安裝有六軸傳感器MPU6050，可以檢測到小車x， y，，三軸的傾斜角度和三軸方向的加速度，將所收集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以得到小車所處的狀態(tài)，并且程序是根據(jù)小車所處的不同狀態(tài)而編寫。

（1）靜止時：當小車的重心位于電機軸線中心位置的正上方時，此時傳感器MPU6050將采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析得出小車位于00位置，即平衡位置，此時小車靜止。當檢測到小車的重心向前傾斜時，則需要小車向前運動來保持小車的平衡狀態(tài);當檢測到小車的重心向后傾斜時，則需要小車向后運動來保持小車的平衡狀態(tài)。

（2）前進時：小車略微向后加速，這將傾斜小車的重心，使其稍微向前，然后再使小車在反方向加速，小車就會向前傾斜，同時保持小車處于平衡狀態(tài)，使得小車前進。

（3）后退時：小車的車輪稍微向前加速，這將傾斜小車的重心，使其稍微向后，然后再使小車的兩輪在反方向加速，這將使小車向后傾斜，同時保持小車的平衡，使得小車倒退。

（4）左轉時：當小車處于前進或者后退并且保持平衡狀態(tài)時，控制小車的左輪以較慢的速度運動、小車的右輪以較快速度運動時，即可使小車向左轉。

（5）右轉時：當小車處于前進或者后退并且保持平衡狀態(tài)時，控制小車的右輪以較慢的速度運動、小車的左輪以較快速度運動時，即可使小車向右轉。

經(jīng)過理論分析即可得出小車處于不同狀態(tài)時的控制思路，進而對小車實現(xiàn)不同的控制。

結論

本次系統(tǒng)設計采用單片機STM32作為主控制器，對該系統(tǒng)發(fā)送指令，實現(xiàn)控制;傳感器MPU6050模塊用來檢測當前小車的傾斜程度，通過傾斜程度來對小車進行控制;顯示模塊用來顯示小車的運行信息;最終小車實現(xiàn)了在不同狀態(tài)下的自平衡。

參考文獻：

[1] 李詳鵬， 陳春， 周子文，等. 基于MEMS傳感器的兩輪平衡小車設計[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2019， 000（022）：27-29.

[2] 朱先勇， 歐陽修若， 孫靈欣，等. 基于STM32f1兩輪自平衡小車設計[J]. 數(shù)碼設計：下， 2019， 000（008）：82-83.

[3]鄭歡.雙輪小車自平衡循跡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019（08）：141-142.

[4]李帥男.基于STM32控制的雙輪自平衡小車的設計[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（13）：34-35.

[5]錢玉恒，楊亞非.基于雙輪自平衡小車的創(chuàng)新實驗課教學內(nèi)容設計[J].實驗技術與管理，2018，35（09）：29-33.

[6]徐施博，李輝，黃毅，陳彬.基于STM32的單軸雙輪自平衡小車的設計[J].儀表技術，2018（02）：27-29.

[7]孟帥，常德軍，陳章寶.雙輪自平衡小車控制系統(tǒng)設計[J].電子世界，2017（01）：89-90.

[8]徐錦.基于STM32單片機的雙輪自平衡小車系統(tǒng)的設計[J].山東工業(yè)技術，2016（21）：282+272.

[9]陳章寶，鮑偉超，孟帥.兩輪自平衡小車的研究與設計[J].蚌埠學院學報，2016，5（05）：1-5.

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