李亞文 常亮

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院商洛726000）

一種基于ARM-STM32的兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

李亞文 常亮

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院商洛726000）

隨著交通安全問題日益突出，以及人們對(duì)智能化生活的追求，促使了輕巧靈便的兩輪平衡小車的發(fā)展。通過分析了平衡小車的平衡控制原理，進(jìn)行合理的硬件選材和設(shè)計(jì)，應(yīng)用ARM-STM32為核心控制器件，加入藍(lán)牙智能通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了客戶端遠(yuǎn)程控制，最終組裝了兩輪自平衡小車。大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車具有較強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)平衡性，穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙遠(yuǎn)程智能控制等顯著優(yōu)勢(shì)。

兩輪自平衡小車；ARM-STM32；陀螺儀；機(jī)械中值；卡爾曼濾波

Class NumberTP273

1 引言

兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)思想來源于倒立擺系統(tǒng)，是一種三維空間的倒立擺，也是一個(gè)復(fù)雜的非線性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［1］，是電子機(jī)械智能化不斷發(fā)展的產(chǎn)物。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小區(qū)安防、警務(wù)、交通安全，火災(zāi)地震救援、餐飲服務(wù)等領(lǐng)域。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的控制理論專家為了研究火箭和導(dǎo)彈制導(dǎo)過程中的姿態(tài)控制問題設(shè)計(jì)了倒立擺系統(tǒng)，用于驗(yàn)證所提出的各種姿態(tài)控制策略［2］；1963年，美國(guó)Standdord大學(xué)Higdon及 Schaefer采用Bang-Bang最優(yōu)控制等理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)倒立擺的控制［2～3］；2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的FelixGrasser等研制出兩輪移動(dòng)機(jī)器人“Joe”［4］，2008年，美國(guó)Tiger電子公司和日本Sega玩具公司應(yīng)用先進(jìn)的陀螺儀技術(shù)，配有紅外傳感器和聲納技術(shù)，推出了兩輪機(jī)器人玩具AMP［5］（Automated Mu?sical Personality）。我國(guó)在倒立擺控制技術(shù)的研究起步較晚一些，但是現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際的領(lǐng)先水平，2006年，臺(tái)灣清云科技大學(xué)Chih-Hui Chiu課題組基于模糊控制器設(shè)計(jì)了一臺(tái)兩輪運(yùn)輸機(jī)［6～7］；2015年，中國(guó)小米納恩博公司推出了經(jīng)典“九號(hào)平衡車”［8～9］（Ninebot），改款平衡小車具有穩(wěn)定性好，價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)。

2 平衡小車的速度控制原理

兩輪自平衡小車的動(dòng)力來源是兩個(gè)車輪，小車的平衡、速度、方向全部通過車輪的速度來完成。從控制角度來分析，小車的輸入量是兩個(gè)電機(jī)的速度，所以控制好兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就可以完成平衡小車的平衡，速度，方向控制［10］。通過控制小車的仰角或傾角來完成小車速度控制，最后也是通過控制兩個(gè)電機(jī)的同向轉(zhuǎn)速來控制；由于小車的運(yùn)行速度和傾角是相關(guān)的，比如要提高小車向前行駛的速度，就需要增加小車向前傾斜的角度，傾斜角度增加后，車輪在直立控制下需要向前運(yùn)動(dòng)保持小車平衡，速度增大；考慮到編碼電機(jī)可能存在噪聲，為了防止噪聲被放大，速度控制選擇使用PI控制。同時(shí)為了PID參數(shù)的整合和調(diào)試，將速度確定為一個(gè)固定值。速度控制系統(tǒng)將由一個(gè)負(fù)反饋直立PD控制器和一個(gè)正反饋速度PI控制器組成［11］。控制算法如式（1）所示。

其中θ是角度，θ'是角速度，e() k是速度控制偏差，Σe(k)是速度控制偏差的積分，平衡小車速度控制原理如圖1所示。

圖1平衡小車速度控制原理

3 兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

兩輪自平衡小車主要由兩個(gè)部分組成，即機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分包括兩個(gè)輪胎，小車支架和平臺(tái)，連接桿等，主要負(fù)責(zé)支撐硬件電路，搭建工作平臺(tái)?？刂撇糠种饕▋蓚€(gè)直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)，無線藍(lán)牙模塊，穩(wěn)壓模塊等，主要負(fù)責(zé)小車平衡，運(yùn)動(dòng)的控制，數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

兩輪自平衡小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的處理速度和外部資源要求相對(duì)比較高。本設(shè)計(jì)中選擇單片機(jī)最小系統(tǒng)為：STM32F103C8T6。STM32F103［11～12］是基于ARM的32位增強(qiáng)型微處理器，有48個(gè)引腳，64k字節(jié)的閃存，20k字節(jié)RAM；通信端口有2個(gè)SPI，2個(gè)IIC，3個(gè)UART，1個(gè)USB和1個(gè)CAN；32個(gè)通用I/O端口；2個(gè)10通道的12位同步ADC；CPU工作頻率為72MHz；工作電壓2.0V～3.6V；LQFP封裝，工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40℃～85℃。功能比較完善，可以作為小車平衡系統(tǒng)的主控芯片。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

2）陀螺儀MPU6050

MPU-6050是一個(gè)9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。在本次設(shè)計(jì)中，需要使用MPU-6050對(duì)小車的傾角以及傾角角速度進(jìn)行測(cè)量，然后通過濾波算法精確的計(jì)算出小車的實(shí)施姿態(tài)，再利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)小的自平衡控制。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇

本次設(shè)計(jì)選擇兩個(gè)帶編碼器的直流電機(jī)，電機(jī)搭配多級(jí)齒輪減速箱，體積小，傳遞扭矩大。電機(jī)模塊使用東芝公司生產(chǎn)的TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，它具有大電流MOSDET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，最大輸入電壓15V，最大輸出電流1.2A，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于PWM信號(hào)輸入頻率，高達(dá)100kHz，足以滿足小車的設(shè)計(jì)需求。

4）電源及穩(wěn)壓模塊選擇

兩輪自評(píng)衡小車設(shè)計(jì)中主要供電部分有單片機(jī)最小系統(tǒng)5V供電。TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊正常工作要求5V的使能供點(diǎn)電，在VM端接入不超過15V的電機(jī)工作電壓。根據(jù)實(shí)際情況選擇12V的鋰離子電池供電，穩(wěn)壓模塊選擇12VO5V的穩(wěn)壓模塊。

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是多種技術(shù)的融合，所以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大三年級(jí)開設(shè)的專業(yè)課程較多，而且每門課都包括理論課和實(shí)踐課，所以每門課程課時(shí)較緊張，“射頻識(shí)別原理與應(yīng)用”課程也不例外。在有限的課堂上，知識(shí)信息量大，學(xué)生不能完全接受和消化教師所講內(nèi)容，也來不及深入思考，使得知識(shí)停留于淺層，達(dá)不到深度學(xué)習(xí)的效果。

平衡小車控制系統(tǒng)連線如圖3所示，F(xiàn)orest V1單片機(jī)最小系統(tǒng)板已經(jīng)焊接好單片機(jī)和陀螺儀MPU-6050的引腳，PB10PB11與陀螺儀相連，實(shí)現(xiàn)加速度和傾角的測(cè)量。3.2軟件設(shè)計(jì)

圖3平衡小車系統(tǒng)連接接口原理電路

軟件程序設(shè)計(jì)流程中先對(duì)電機(jī)、最小系統(tǒng)等進(jìn)行初始化，并進(jìn)行前期的車模直立檢測(cè)，寫入相關(guān)指令，啟動(dòng)并控制車模的方向、速度直立等控制命令，通過發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)車模進(jìn)行跌倒檢測(cè)，并進(jìn)行預(yù)警處理。最終實(shí)現(xiàn)了六個(gè)功能包括：傳感器信號(hào)的采集和處理、電機(jī)PWM輸出、平衡小車的直立，速度，方向控制、平衡小車運(yùn)行控制流程設(shè)計(jì)、平衡小車信息顯示與參數(shù)設(shè)定、通過編寫相關(guān)藍(lán)牙通信協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡小車的遠(yuǎn)程控制操作命令。

主程序框架設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4程序設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)物調(diào)試

1）平衡小車直立控制調(diào)試

平衡小車需要對(duì)干擾做出迅速的響應(yīng)，控制過程需要D（微分）控制。調(diào)試過程需要確定平衡小車的機(jī)械中值，確定kp值得極性和大小，kd值的極性和大小。在調(diào)試直立環(huán)控制時(shí)，需要屏蔽中斷服務(wù)函數(shù)中的速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)控制。

首先需要確定機(jī)械中值。將平衡小車放在地上繞電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)接近平衡位置的角度即機(jī)械中值。經(jīng)過確定機(jī)械中值為0度，所以Bias=An?gle-0。圖5所示是機(jī)械中值調(diào)試的過程。

圖5機(jī)械中值調(diào)試圖

圖6小車速度測(cè)試過程

通過多次的實(shí)驗(yàn)調(diào)試小車的直立平衡狀態(tài)，得到kp值在0～720之間；kd值的引入是為了抑制kp值過大的低頻抖動(dòng)，所以它的效果和kp值的效果相反，需要小車輪胎對(duì)小車傾斜方向有一個(gè)跟隨的效果。表1所示為多次兩輪平衡小車的實(shí)物測(cè)試直立情況。

表1 小車直立情況參數(shù)測(cè)試

2）平衡小車速度控制調(diào)試

平衡小車速度環(huán)使用PI（比例積分）控制器。PI控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。偏差=測(cè)量值-目標(biāo)值

可以得到：Encoder_Least=（Encoder_Left+En?coder_Right）-0；

由于偏差代表的是速度的變化量，所以測(cè)量值使用左右編碼器之和。

確定kp和ki值的極性只需要打開速度環(huán)控制，需要達(dá)到的效果是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電機(jī)時(shí)，另一個(gè)電機(jī)跟隨，向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在平衡小車速度控制系統(tǒng)中PID參數(shù)之間的比例關(guān)系是ki=kp/200。所以kp和ki極性相同，并且當(dāng)kp和ki同時(shí)為正時(shí)，旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)輪胎，兩個(gè)輪胎同時(shí)向同一個(gè)方向同時(shí)加速，直至電機(jī)最大速度。如圖6所示為兩輪自平衡小車速度測(cè)試的過程。通過多次對(duì)兩輪平衡小車進(jìn)行速度控制參數(shù)的改變，選取了代表性的幾組測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 小車速度控制參數(shù)測(cè)試

3）平衡小車轉(zhuǎn)向調(diào)試

平衡小車轉(zhuǎn)向環(huán)由于對(duì)響應(yīng)要求不高，所以只使用P（比例）控制器。使用Z軸陀螺儀的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)向速度偏差進(jìn)行P控制，目標(biāo)是保持轉(zhuǎn)向速度為設(shè)定值。kp值大小估算原理和速度環(huán)控制類似，確定kp值在0～2之間。表3所示為小車實(shí)物調(diào)試中轉(zhuǎn)向參數(shù)的改變影響小車的轉(zhuǎn)向情況的測(cè)試。

表3 小車轉(zhuǎn)向參數(shù)測(cè)試

5 結(jié)語

兩輪自平衡小車具有操作簡(jiǎn)單、環(huán)保、靈活性較好等多種優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于小區(qū)安防、火災(zāi)地震現(xiàn)場(chǎng)、餐飲服務(wù)等領(lǐng)域，得到了廣泛的關(guān)注。本文通過分析平衡小車的主要控制系統(tǒng)原理，包括直立平衡、速度控制和轉(zhuǎn)向控制等，經(jīng)過合理的選硬件選材以ARM-STM32為研發(fā)核心的控制系統(tǒng)，利用常見的卡爾曼濾波對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，設(shè)計(jì)了一款自平衡性較好的兩輪小車，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了小車直立測(cè)試、速度控制調(diào)試和轉(zhuǎn)向調(diào)試，測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)中的兩輪平衡小車，自平衡性顯著，抗抖動(dòng)性較好，并能在手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制，因此，相信該兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)，必將廣泛服務(wù)于人們生活，使未來變得更加智能、便捷。

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Design and Implementation of Wheeled Inverted Pendulum Vehicle Based on ARM-STM32

LI YawenCHANG Liang
（Electronic Information and Electrical College of Engineering，Shangluo University，Shangluo726000）

With the increasing traffic safety problems，as well as the pursuit of intelligent life，the development of light and flexible wheeled inverted pendulum vehicle is promoted.It is reasonable to select and design the hardware，through the analysis of the balance of the balance of the car control principle，Application of ARM-STM32 as the core control device，Bluetooth intelligent communication protocol is added to achieve the client remote control，and wheeled inverted pendulum vehicle is assembled finally. A large number of experimental results show that the design of wheeled inverted pendulum vehicle has a strong adaptive adjustment balance，good stability to achieve remote control with Bluetooth significant advantages.

wheeled inverted pendulum vehicle，ARM-STM32，gyro，mechanical median，Kalman filter

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.041

2017年1月12日，

2017年2月27日

2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201611396015）資助。

李亞文，女，碩士，講師，研究方向：圖像處理，模式識(shí)別。