兩輪自平衡小車的設計及實現(xiàn)

叢玉華 吳洪佳 朱惠娟 朱嫻 謝玲

（南京理工大學紫金學院 江蘇省南京市 210023）

1 引言

《嵌入式控制系統(tǒng)》課程，是很多高校自動化專業(yè)的專業(yè)核心課程，是一門多學科交叉領域的課程，課程教學目標是使學生了解嵌入式控制系統(tǒng)的基本知識和原理，掌握嵌入式控制系統(tǒng)的接口開發(fā)技術和系統(tǒng)設計流程與方法，掌握嵌入式控制系統(tǒng)的軟件設計技術等。課程以基于嵌入式計算機的自動控制系統(tǒng)為載體，一方面介紹這類系統(tǒng)的設計原理與方法，另一方面講述如何將自動控制理論應用于實際的自動控制系統(tǒng)，是專業(yè)基礎理論與實際工程設計的接口課程，是一門兼顧理論與應用技術、實踐性較強的課程。兩輪自平衡小車為移動機器人的一種，為自動控制理論和嵌入式技術結(jié)合的有機載體，采用它作為嵌入式控制系統(tǒng)課程的綜合實驗平臺，有助于提高學生的理論聯(lián)系實際的能力和系統(tǒng)開發(fā)設計的能力。下面將介紹兩輪自平衡小車實驗平臺的設計和實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體設計

兩輪自平衡小車，作為自動控制系統(tǒng)綜合實驗開發(fā)平臺，主要服務于三方面：

圖1：系統(tǒng)總體功能圖

圖2：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（1）自動控制基礎理論，考察學生對開環(huán)控制、閉環(huán)控制、系統(tǒng)性能、PID 控制方法等的理解和掌握；

（2）嵌入式控制技術，鍛煉學生對嵌入式控制系統(tǒng)的硬件及接口設計能力和硬件基礎上的軟件編程能力；

（3）系統(tǒng)開發(fā)思路，加深學生對系統(tǒng)工程開發(fā)流程的理解，提升學生系統(tǒng)開發(fā)能力。為此，實驗平臺總體的功能和結(jié)構(gòu)設計如下。

2.1 系統(tǒng)功能分析

圖3：機械框架圖

圖4：主控子系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖5：主控器總體接口設計圖

圖6：最小系統(tǒng)電路圖

對兩輪自平衡小車系統(tǒng)最基本的要求是空閑時能保持直立，有任務時須實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，所用動作都基于對小車車輪的控制。為此，要實現(xiàn)兩輪自平衡小車的基本控制，需要系統(tǒng)具備功能如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

圖7：電機驅(qū)動模塊電路及接口圖

圖8：姿態(tài)傳感器電路及接口圖

圖9：OLED 的電路及接口圖

圖10：按鍵/LED 電路及接口圖

為實現(xiàn)上述功能，兩輪自平衡小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應包括：機械框架和控制系統(tǒng)，其中機械框架主要由小車底盤和左右車輪構(gòu)成，控制系統(tǒng)又包含主控子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 硬件平臺設計

3.1 機械框架

兩輪自平衡小車機械框架由小車底盤和左右車輪構(gòu)成，如圖3所示。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由主控子系統(tǒng)和遙控子系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

3.2.1 主控子系統(tǒng)

圖11：無線模塊電路及接口圖

圖12：遙控器的搖桿電路及接口圖

圖13：直立控制結(jié)構(gòu)框圖

圖14：速度控制原理框圖

圖15：轉(zhuǎn)向控制原理框圖

圖16：系統(tǒng)整體實物圖

圖17：遙控器實物圖

主控子系統(tǒng)含主控器模塊、電機模塊、傳感器模塊、人機接口模塊；如圖4（a）所示。

3.2.1.1 主控器模塊

（1）主控器。主控器采用STM32F103C8T6 芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 系列32 位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，系統(tǒng)頻率為72MHz，具有48 個引腳，輸入輸出引腳為37 個。圖5 為總體接口設計圖。

（2）最小系統(tǒng)。以主控器為核心構(gòu)成的最小系統(tǒng)，外圍電路由電源電路、復位電路、振蕩電路組成。電源電路：采用LDO對電池或USB 進行降壓穩(wěn)壓后產(chǎn)生3.3V 電壓供電，電池端采用AMS1117-3.3 穩(wěn)壓芯片，USB 端采用ME78M05K3G 穩(wěn)壓芯片。復位電路：采用低電平復位，共兩種復位方式，上電復位、手動復位。振蕩電路：該電路由晶振、起振電容及反饋電阻構(gòu)成。晶振選擇8MHZ，起振電容選用22pF，反饋電阻選擇1MΩ，與主控器XTAL_IN 和XTAL_OUT 連接。圖6 為最小系統(tǒng)電路圖。

3.2.1.2 電機模塊

（1）直流電機。系統(tǒng)使用了帶編碼器的型號為GM12-N20VA的減速電機，在6V 供電下額定轉(zhuǎn)速約300 轉(zhuǎn)/分，自帶的霍爾傳感器可獲取電機實時轉(zhuǎn)速。

（2）電機驅(qū)動。電機驅(qū)動模塊選擇TB6612FNG。有4 種控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動/停止；PWM 支持頻率高達100 kHz。圖7 為電機驅(qū)動模塊接口圖，電機控制端與PB2，PA5，PA12，PA11相連，PWM 輸出引腳與PB0，PB1 相連。

3.2.1.3 傳感器模塊

（1）姿態(tài)傳感器。采用MPU-6050 模塊，內(nèi)部整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度計測量小車姿態(tài)，可測俯仰角、橫滾角和偏航角及其角速度，采用三個16 位ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過主IIC 接口與MCU 通信。采用傳感器自帶的DMP 數(shù)字運動處理器實現(xiàn)姿態(tài)解算。圖8 為姿態(tài)傳感器電路及接口圖，MOPU6050 通過PB3，PB4，PB5 與STM32 相連。

（2）霍爾傳感器。電機帶有霍爾編碼器引出AB 兩相，STM32 的定時器有編碼器模式，特定的GPIO 口可以直接連接電機上的編碼器接口，讀取脈沖獲得速度值?；魻杺鞲衅?，左右編碼器引腳與PA0，PA1，PB6，PB7 相連。

3.2.1.4 人機接口模塊

OLED 顯示屏：采用分辨率是128×64 的0.96 寸OLED，通過IIC 總線與STM32 主控器通信，實時顯示小車的狀態(tài)，圖9 為其電路及接口圖。按鍵及LED：按鍵及LED 用于狀態(tài)顯示，其電路及接口如圖10所示。

3.2.2 遙控子系統(tǒng)

遙控子系統(tǒng)包括：通信模塊和位置搖桿。具體構(gòu)成如圖4（b）所示。

（1）通信模塊。無線通信模塊采用nRF24L01，工作在2.4GHz～2.5GHz 頻段。通過SPI 接口對輸出功率頻道選擇和協(xié)議進行設置。圖11 為其電路及接口圖，通過SPI2 總線與主控器連接。

（2）位置搖桿。搖桿采用360°可轉(zhuǎn)動搖桿，通過兩個方向的電位器阻值變化確定搖桿當前位置，STM32 通過ADC 采集兩個方向電壓值計算位置，輸出控制信號車。圖12 為其電路及接口圖，STM32 的PA4，PA5 引腳進行ADC 數(shù)據(jù)讀取。

4 程序設計

4.1 直立環(huán)控制

4.1.1 原理分析平衡小車在重力作用下，受到和角度成正比運動方向相反的回復力，空氣中運動受到空氣的阻尼力。為了讓小車靜止在平衡位置附近，不僅需要在電機上施加和傾角成正比的回復力，還需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力與運動方向相反。小車的平衡控制算法為：

a=kp*θ+kd*θ'

其中，θ 是俯仰角偏差，θ'是俯仰角速度偏差。只要測量平衡小車的俯仰角和俯仰角速度，據(jù)此通過PD 調(diào)節(jié)來輸出小車的控制量a，就可以完成小車的直立控制。其中kp 為比例系數(shù)，kd 為微分系數(shù)。以上的輸出控制量，直接關聯(lián)施加在電機上面的電壓，通過調(diào)節(jié)控制電機PWM 的占空比即可。圖13 為直立控制結(jié)構(gòu)框圖。

4.1.2 程序?qū)崿F(xiàn)

4.2 速度控制

4.2.1 原理分析

當小車以一定的速度運行時，要讓小車停下來，需要給小車施加更快的速度去平衡，是一個正反饋的效果。編碼器可能存在的噪聲，為防止噪聲被放大并消除系統(tǒng)靜差，速度控制使用PI 控制。小車的速度平衡控制算法為：

a1= kp*e(k)+ki*∑e(k)

e(k)是速度控制偏差，∑e(k)是速度控制偏差的積分。速度控制偏差為：測量值-目標值，為減緩速度值變化，防止速度控制對直立造成干擾，對速度值進行一階低通濾波。用軟件實現(xiàn)硬件RC濾波器效果，以抑制干擾信號。一階低通數(shù)字濾波原理為：

Yn= qXn+(1-q)Yn-1

式中q 為數(shù)字濾波器的時間常數(shù)，此處q=0.8，采樣周期為10ms。Xn為第n 次采樣時的濾波器輸入，Yn為第n 次采樣時濾波器輸出。速度控制原理框圖如圖14所示。

4.2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

4.3 轉(zhuǎn)向控制

4.3.1 原理分析

STM32 輸出給電機用于控制其姿態(tài)的PWM 應為小車的直立環(huán)B_PWM 與速度環(huán)V_PWM 之和，如果有遙控左右則應該疊加相應的轉(zhuǎn)向環(huán)的T_PWM分別控制左右電機。轉(zhuǎn)向控制原理如圖15所示。

4.3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

4.4 遙控設計

4.4.1 原理分析

通過STM32 的ADC 功能讀取搖桿電位值，獲得搖桿位置，通過無線模塊與小車通信，控制小車的前進后退以及左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。前后和左右兩個通道數(shù)值范圍為0-20，中間值為10。

4.4.2 程序?qū)崿F(xiàn)

5 測試與總結(jié)

5.1 功能測試

兩輪自平衡小車集成后如圖16，圖17 為遙控器。測試情況為，自平衡控制：直立環(huán)，機械中值取0，KP= -280，KD= -0.4；速度環(huán)，KP = -70；KI = -0.35；取得較好的自平衡效果。轉(zhuǎn)向控制：將遙控器發(fā)來數(shù)據(jù)乘以20 以，加入左右輪的PWM 中，取得較好轉(zhuǎn)向效果。

5.2 總結(jié)

兩輪自平衡小車系統(tǒng)，作為《嵌入式控制系統(tǒng)》課程綜合實驗平臺，可以滿足學生對自動控制原理基礎知識的理解與應用，鍛煉學生嵌入式開發(fā)技術和軟硬結(jié)合的系統(tǒng)開發(fā)方法，因系統(tǒng)目前僅實現(xiàn)了自平衡小車的基本控制功能，后續(xù)可在此基礎上拓展循跡、避障、追蹤等功能，也可加入模糊控制、自適應控制等不同的控制算法優(yōu)化控制效果，加深控制理論的學習和應用。