基于MPU6050的平衡車設(shè)計(jì)

侯立業(yè) 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

基于MPU6050的平衡車設(shè)計(jì)

侯立業(yè) 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

平衡車雖然是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，但其卻是一種靜不穩(wěn)定的系統(tǒng)。有些類似于倒立擺與航天領(lǐng)域中飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)平衡問題。而平衡車又是種可控制的系統(tǒng)。所以說只要對(duì)系統(tǒng)加以適當(dāng)?shù)目刂凭涂梢允蛊溥_(dá)到平衡。本文通過基于MPU6050的平衡車設(shè)計(jì)及筆者淺談采用適當(dāng)?shù)姆答伩刂茖⒃鹊拈_環(huán)穩(wěn)定度低的系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)加以分析比較，最終將平衡車控制系統(tǒng)的速度、角速度、角度、等變量趨于我們想要的穩(wěn)定值。

PID控制 陀螺儀 平衡車系統(tǒng) STM32F103

平衡車，是典型的靜不穩(wěn)定系統(tǒng)。從學(xué)術(shù)上說，其涉及到自動(dòng)控制的多種控制方法，前饋調(diào)節(jié)、串級(jí)控制、模糊魯棒性的分析等問題，是各學(xué)科各領(lǐng)域的交叉系統(tǒng)值得學(xué)習(xí)與探討。而在日常生活中，根據(jù)平衡車系統(tǒng)制作的產(chǎn)品各式各類，廣泛用于安保、服務(wù)、助老、以及汽車和航空領(lǐng)域；同時(shí)還具有使用清潔能源、節(jié)能、低排量、環(huán)保、便于攜帶等優(yōu)勢(shì)。也間接解決了交通、清潔能源匱乏、保護(hù)環(huán)境的壓力問題。對(duì)于現(xiàn)今市面上的平衡車，精度、速度和與人交互反饋的要求不斷升高。故此，筆者通過基于MPU6050的平衡車控制系統(tǒng)談一談這些問題。

1 基于MPU6050的平衡車設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)采用以STM32F103C8T6為核心的最小系統(tǒng)；STM32F103C8T6是一款32位高集成度、高運(yùn)算速度、多模塊、低功耗、體積小的計(jì)算機(jī)芯片，其價(jià)格便宜，開發(fā)程度較高，是這次設(shè)計(jì)選擇的原因。

在動(dòng)力電機(jī)選擇方面，采用DC有刷電機(jī)。其價(jià)格便宜，機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍大且較平滑，符合本次選擇。與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，筆者選用TB6612FNG作為主芯片。TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于MOSFET的H橋集成電路，TB6612FNG效率高于晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器。而相比常用L293D和L298N每通道平均600mA的驅(qū)動(dòng)電流和1．2A的脈沖峰值電流，它的輸出負(fù)載能力提高了一倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續(xù)流電路，它無需外加散熱片，外圍電路非常簡單。

圖1 平衡車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實(shí)現(xiàn)的平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。在遇到外界干擾如何快速恢復(fù)，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。為了能夠快速穩(wěn)定的對(duì)小車速度進(jìn)行控制，本系統(tǒng)加入了編碼器作為速度反饋環(huán)節(jié)，形成了速度的閉環(huán)控制。而在系統(tǒng)的濾波方式，經(jīng)過各類比較和總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)采用卡爾曼最優(yōu)信息處理方式濾波系統(tǒng)采用PID控制作為平衡車速度控制策略。其輸入為車速的偏差，而輸出為傾角，通過平衡控制達(dá)到控制車速平衡的目的。

2 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要研究兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過相應(yīng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡小車的動(dòng)態(tài)平衡與運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以32位單片機(jī)STM32F103C8T6為控制核心，采用壓電陀螺儀MPU6050構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，通過H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡車的姿態(tài)檢測(cè)與平衡控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上比較了各類濾波器優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計(jì)了以卡爾曼濾波器為核心的數(shù)據(jù)融合算法。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計(jì)的輸出融合為準(zhǔn)確的傾角與角速度輸出，為系統(tǒng)的控制提供了有力保障。

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侯立業(yè)、劉闊、甄廣航：沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，研究方向機(jī)器人技術(shù)；耿欣：（1981-），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士研究生，研究方向機(jī)器人技術(shù)；李姿（通訊作者）：（1982-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士研究生，現(xiàn)從事電氣工程及其自動(dòng)化方向理論課程講授。