基于STM32的兩輪自平衡小車研究

趙磊

摘要：本文以STM32單片機(jī)為核心控制器，以MPU-6050為姿態(tài)讀取模塊，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)，能夠使小車的控制效果得到提高，以電池為電源，設(shè)計(jì)兩輪自平衡小車的硬件和軟件設(shè)計(jì)；用卡爾曼濾波算法作為數(shù)據(jù)的平衡濾波，用PID算法作為控制算法，提高控制精度，從而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了小車的自平衡。

關(guān)鍵詞：STM32；自平衡；卡爾曼濾波；PID

中圖分類號(hào)：TP273+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）01-0035-02

微控制器STM32的內(nèi)核為Cortex-M3，CPU為32位，存儲(chǔ)器為SRAM，大小為6-64kB。以STM32為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)檢驗(yàn)傳感器等系統(tǒng)各方面數(shù)據(jù)的控制，能夠使小車的姿態(tài)更加合理，控制精度高，控制速度快。

1 基于STM32的兩輪自平衡小車的硬件設(shè)計(jì)

基于STM32的兩輪自平衡小車的硬件設(shè)計(jì)包括電源模塊、主控制器模塊、姿態(tài)讀取模塊與驅(qū)動(dòng)模塊四個(gè)部分。

1.1 電源模塊

電源提供是兩輪自平衡小車行駛的動(dòng)力支撐。本設(shè)計(jì)以電池作為電源，為小車的行駛提供能量[1]。小車電機(jī)電壓須要12V，擬用3節(jié)3.6V的鋰電池作為電源。

控制器STM32和MPU-6050均需要3.3V電壓支撐。本設(shè)計(jì)以3節(jié)鋰電池的12電壓進(jìn)行降壓供電。采用LM2596-3.3設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓電路。

1.2 主控制器模塊

主控制器為STM32，是ST公司突出的一款微控制器。內(nèi)核為Cortex-M3，CPU為32位，存儲(chǔ)器為SRAM，6-64 kB。其增強(qiáng)型系列處理速度能達(dá)到72MHz，具有高性能，低成本等特點(diǎn)。在上述主控制器的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪自平衡小車的控制，使其能夠在控制下平衡行駛[2]。

1.3 姿態(tài)讀取模塊

姿態(tài)讀取的目的在于將兩輪自平衡小車的姿態(tài)控制在合理的范圍，保證其在控制下能夠平衡行駛。系統(tǒng)以MPU-6050為姿態(tài)讀取模塊與STM32內(nèi)的運(yùn)動(dòng)處理器程序相結(jié)合。為了保證姿態(tài)讀取時(shí)實(shí)性，將陀螺儀與加速計(jì)聯(lián)合使用，兩者均選為3軸，共同構(gòu)成姿態(tài)讀取模塊，可以有效提高姿態(tài)讀取的實(shí)時(shí)性。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的功能在于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。小車采用L298N組成的雙H橋作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。對(duì)兩輪自平衡小車可以起到良好的自動(dòng)化控制。為了使電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的功能能夠得到有效發(fā)揮，以直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的來(lái)源。

2 基于STM32的兩輪自平衡小車的軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成之后，以STM32作為核心控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪自平衡小車軟件的設(shè)計(jì)。用卡爾曼濾波算法做姿態(tài)數(shù)據(jù)的平滑濾波；用PID控制算法做控制數(shù)據(jù)輸出。

2.1 系統(tǒng)初始化

在程序正式開(kāi)始運(yùn)行之前，需要完成系統(tǒng)的初始化過(guò)程。系統(tǒng)初始化包括的流程如圖1所示。

時(shí)鐘初始化：由于主程序的運(yùn)行過(guò)程中，需要判斷定時(shí)是否已經(jīng)達(dá)到了5ms，因此系統(tǒng)中需要設(shè)置時(shí)鐘，且時(shí)鐘功能的發(fā)揮十分重要。鑒于主程序的上述特點(diǎn)，在系統(tǒng)初始化過(guò)程時(shí)，需要首先進(jìn)行時(shí)鐘的初始化。

NVIC中斷初始化：為了保證按時(shí)中斷的準(zhǔn)確性，并使5ms到達(dá)之后，能夠?qū)崿F(xiàn)中斷，并開(kāi)始讀取MU-6050所采集的小車姿態(tài)數(shù)據(jù)的過(guò)程，必須保證將定時(shí)中斷初始化。

定時(shí)器初始化：該初始化實(shí)現(xiàn)的目的同樣在于保證在5ms時(shí)間達(dá)到時(shí)，使定時(shí)中斷能夠順利實(shí)現(xiàn)，并開(kāi)始姿態(tài)數(shù)據(jù)讀取過(guò)程。

通信初始化：又稱I2C初始化，其功能在于使數(shù)據(jù)采集能夠有效的實(shí)現(xiàn)，并使所采集的數(shù)據(jù)，能夠被有效傳輸。

測(cè)速模塊初始化：為了保證兩輪自平衡小車在被控制的環(huán)境下行駛的穩(wěn)定性與可靠性，提高姿態(tài)控制的準(zhǔn)確度以及時(shí)實(shí)性非常重要，而測(cè)速模塊的功能，便在于保證上述功能的順利實(shí)現(xiàn)。對(duì)于小車的行駛與控制非常重要。

MPU-6050初始化：MPU-6050為姿態(tài)讀取模塊，初始化的意義在于實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的姿態(tài)檢驗(yàn)。

電機(jī)PWM初始化：電機(jī)PWM輸出，為系統(tǒng)主程序的最后一個(gè)流程，保證電機(jī)能實(shí)現(xiàn)不同速度的輸出。

2.2 定時(shí)中斷設(shè)計(jì)

基于STM32的兩輪自平衡小車在完成系統(tǒng)的初始化過(guò)程后等待定時(shí)中斷產(chǎn)生調(diào)整姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)流程。

讀取姿態(tài)：如果5ms時(shí)間已到，則可以直接讀取MU-6050這一姿態(tài)控制模塊所采集的小車姿態(tài)數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，完成電機(jī)速度檢測(cè)（編碼器）。

數(shù)據(jù)濾波：在小車姿態(tài)數(shù)據(jù)讀取完成之后，需要利用卡爾曼濾波算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。

PID控制：將數(shù)據(jù)濾波之后的結(jié)果，與電機(jī)速度檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合，采用PID控制算法，輸出控制數(shù)據(jù)。

PWM輸出：在計(jì)算完成過(guò)后，輸出PWM波，控制電機(jī)的數(shù)度，并再次等待定時(shí)中斷。

2.3 卡爾曼濾波算法與PID控制算法

卡爾曼濾波算法的功能在于將陀螺儀與加速度計(jì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并通過(guò)計(jì)算，得出其最優(yōu)值。兩者的各方面數(shù)據(jù)能夠達(dá)到平衡的狀態(tài)，使小車在被控制的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的行駛。因此在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，其數(shù)值與實(shí)際情況相比，必定存在偏差。采用卡爾曼濾波算法的意義在于充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，得出最優(yōu)值，消除缺陷。為小車的行駛提供良好環(huán)境。與卡爾曼濾波算法的功能相同，PID控制算法的功能同樣在于消除偏差，使控制效果達(dá)到最好，使小車姿態(tài)更加合理。

2.4 電機(jī)控制

電壓大小決定轉(zhuǎn)速大小，電機(jī)控制的意義在于保證其電壓合理，進(jìn)而使小車的速度能夠得到實(shí)時(shí)控制。電機(jī)輸出模塊輸出兩路PWM信號(hào)，分別控制兩個(gè)電機(jī)的速度。與此同時(shí)，通過(guò)其他設(shè)置，使電機(jī)控制得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到提高小車可控制性的目的，這對(duì)于小車運(yùn)行狀態(tài)的良好調(diào)整具有重要意義。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

以STM32為基礎(chǔ)，以MPU-6050為姿態(tài)讀取模塊，實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)，能夠使小車的控制效果得到提高。在做好系統(tǒng)初始化后，利用卡爾曼濾波算法與PID控制算法兩種算法，可以使小車的姿態(tài)達(dá)到合理化的水平，對(duì)于提高小車運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊莘，劉海濤.基于STM32的兩輪自平衡小車[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014，05：151-152.

[2]季鵬飛，朱燕，程傳統(tǒng)，杜曉.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014，11：96-99+105.