基于MC56F8013主控的兩輪平衡車的設(shè)計與制作

郭勇 羅樂 周繼平 陳濤 王宇 孫大明 廖無瑕

基金項目：2020年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃省級立項項目（項目編號S202011116076），成都工業(yè)學院“2017-2020年人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學改革項目”，成都工業(yè)學院實驗室開放基金項目，成都工業(yè)學院引進人才科研啟動項目（項目編號175070）

摘要：兩輪平衡車是具有強耦合、不穩(wěn)定、多變量等多種特點的復雜系統(tǒng)，而基于倒立擺模型的兩輪平衡車主要依靠平衡和操縱動力來實現(xiàn)系統(tǒng)自平衡。本論文設(shè)計了基于MC56F8013數(shù)字信號控制器的兩輪自平衡小車，自平衡車的姿態(tài)檢測與車身的平衡控制是通過MPU6050陀螺儀和TB6612電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)的，通過引入藍牙模塊實現(xiàn)了平衡車的無線控制和路徑規(guī)劃。最終的樣車實際測試結(jié)果表明本兩輪平衡車的設(shè)計是成功的。

關(guān)鍵詞：兩輪自平衡車;MC56F8013;姿態(tài)控制;PID;電機驅(qū)動

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0077-02

1引言

近年來，兩輪自平衡車因為擁有綠色節(jié)能環(huán)保、方便靈活等多種優(yōu)點因而得到了很大的發(fā)展，如今已經(jīng)有很多關(guān)于這方面的研究以及相關(guān)的成熟產(chǎn)品問世[1-5]?，F(xiàn)實中，兩輪自平衡小車可看作是一種簡單的移動倒立擺模型，它是一個多變量、多輸入、強耦合的復雜控制系統(tǒng)，是自動控制研究領(lǐng)域一個永恒的經(jīng)典課題。兩輪自平衡車的本質(zhì)是一個自平衡的載體，它不同于自行車或者摩托車，自平衡車的兩個輪子是平行排列的。汽車能夠通過身體自身的平衡平穩(wěn)地移動，而兩輪自平衡車的設(shè)計需要引入內(nèi)部控制機構(gòu)來控制平衡，通過控制車輛的前后傾斜來實現(xiàn)前進或后退。自平衡車具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運動靈活，適用于狹窄、危險的作業(yè)空間，在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。兩輪平衡車的動態(tài)特性控制是自動控制領(lǐng)域的經(jīng)典研究對象，兩輪自平衡車已成為驗證控制算法理想平臺[6-7]，對其進行研究具有非常重要的理論意義，而且，設(shè)計并實現(xiàn)兩輪平衡車具有較高的經(jīng)濟和應用價值。

2兩輪自平衡車的設(shè)計方法

本論文設(shè)計的兩輪自平衡車主要選用了TB6612電機驅(qū)動模塊、MPU6050陀螺儀[8]和HC-05藍牙無線通信模塊， 4.2有效發(fā)揮工業(yè)計算機和測控裝置的功能。低壓配電系統(tǒng)中電力自動控制的應用，須對通信信息予以關(guān)注，著重處理、搜集數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合顯示出的畫面來完成電力控制系統(tǒng)情況評估、分析工作。以電力測控裝置連續(xù)測量低壓配電系統(tǒng)三向回路電流、電壓、功率等參數(shù)，保證各個開關(guān)量處于監(jiān)視中，兩級過負荷越限警告，保證整個配電系統(tǒng)能夠安全、可靠、經(jīng)濟、高效的運作。

在MC56F8013數(shù)字信號控制器上進行了PID控制算法[9]，通過MC56F8013控芯片實現(xiàn)了各模塊和電機的驅(qū)動控制?，F(xiàn)將MC56F8013主控控芯片和核心模塊介紹如下：

2.1 MC56F8013主控芯片。飛思卡爾公司所生產(chǎn)的MC56F8013數(shù)字信號控制器具有體積小（TQFP封裝），功耗低（@3.3V工作電壓），運行速度快（32MIPS），包含豐富的外設(shè)接口等特點，非常適合于本課題兩輪自平衡車的設(shè)計。

2.2 MPU6050陀螺儀。本方案采用的陀螺儀傳感器型號為MPU6050，該芯片內(nèi)部同時包含陀螺儀和加速度傳感器模塊，還可通過自定義來拓展協(xié)處理器的功能。在方案實現(xiàn)過程中，還可以利用MPU6050的I2C通用串行數(shù)據(jù)傳輸接口來連接一個額外的數(shù)字傳感器，例如I2C溫度傳感器。此外，MPU6050還包含一個16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號量輸出到MC56F8013數(shù)字信號控制器。為了兼顧測量范圍和測量速度，該傳感器的檢測精度和速度可由芯片內(nèi)部的寄存器進行配置。

2.3 TB6612電機驅(qū)動。TB6612是一款由東芝半導體公司所生產(chǎn)的通用H橋驅(qū)動芯片，芯片本身可以直接流過大電流，因此，當使用TB6612芯片驅(qū)動直流電機時不需要外加額外的降壓模塊即可完成驅(qū)動工作。本設(shè)計直接使用TB6612的兩路驅(qū)動電路同時驅(qū)動兩個直流減速電機進行工作，相較與傳統(tǒng)的L298N H橋驅(qū)動芯片，TB6612芯片的熱耗性更好，其內(nèi)部包含了二極管續(xù)流電路，使得TB6612芯片的運轉(zhuǎn)不需要外加散熱片，TB6612芯片體積較小，在緊湊的系統(tǒng)設(shè)計中使用更加靈活，外圍設(shè)計電路也較簡單，所以本設(shè)計選擇其作為直流減速電機的驅(qū)動控制芯片。

2.4 HC-05藍牙模塊。本次設(shè)計方案中還選用了HC-05藍牙模塊來無線控制小車的運行方向，HC-05模塊采用CSR主流藍牙芯片，支持藍牙V2.0協(xié)議標準，輸入電壓為3.6V～6V。藍牙模塊本身集成有連接狀態(tài)指示燈，通過指示燈的閃爍狀態(tài)可判斷出是否有藍牙接入，當LED狀態(tài)指示燈快速閃爍時表示沒有藍牙接入，當LED狀態(tài)指示燈慢閃時則表示有藍牙接入。MC56F8013數(shù)字信號控制器可通過通用串行接口與其進行數(shù)據(jù)傳輸。在自平衡車無線控制過程中，可以通過發(fā)送串口通信命令來調(diào)整自平衡車的控制參數(shù)，例如通過手機的藍牙接口與HC-05藍牙模塊通信并修改平衡車輛的運行速度等。

3兩輪平衡車的軟硬件設(shè)計

3.1兩輪平衡車的硬件實現(xiàn)。本設(shè)計搭建的硬件結(jié)構(gòu)控制框圖如圖1所示，兩輪自平衡小車是由MC56F8013最小系統(tǒng)作為控制核心來完成自動平衡的，小車的運動速度和運動方向控制是利用智能手機自帶的藍牙模塊與兩輪平衡車的HC-05藍牙模塊進行通信實現(xiàn)的。MC56F8013最小系統(tǒng)讀取MPU6050陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過TB6612電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流減速電機，以實現(xiàn)小車的姿態(tài)控制并使小車實現(xiàn)自平衡，所有的可控制參數(shù)通過OLED顯示屏進行滾動顯示，兩輪自平衡車的硬件原理圖如圖2所示。

3.2兩輪平衡車的軟件實現(xiàn)。軟件編程涉及的內(nèi)容包括：TB6612電機驅(qū)動程序，MPU6050姿態(tài)控制程序，兩輪平衡車的濾波和小車姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取程序，車輪速度檢測程序，PID算法程序和藍牙通信程序。兩輪自平衡車控制系統(tǒng)的總程序框圖如圖3所示，程序運行后其自平衡穩(wěn)定的工作狀態(tài)如圖4所示。

4結(jié)論

本論文先通過數(shù)學建模獲得了小車的PID控制參數(shù)，再由MC56F8013主控芯片運行電機驅(qū)動和控制算法程序完成對平衡車的自平衡控制。本論文涉及的硬件電路模塊的實現(xiàn)主要涉及MC56F8013數(shù)字信號控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計、TB6612電機驅(qū)動模塊的設(shè)計，姿態(tài)控制模塊MPU6050的設(shè)計、電源供電模塊的設(shè)計和藍牙模塊HC-05的選型。兩輪自平衡車控制軟件的實現(xiàn)包括姿態(tài)控制子程序的設(shè)計、PID控制算法的實現(xiàn)、藍牙通信模塊的子程序設(shè)計、電機驅(qū)動模塊子程序設(shè)計以及自平衡控制系統(tǒng)主控程序的編寫等。本論文設(shè)計并制作的兩輪平衡車經(jīng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，其不僅可以實現(xiàn)自平衡直線驅(qū)動和左右轉(zhuǎn)彎驅(qū)動等基本操作，還可借助智能手機完成對平衡車的運行軌跡規(guī)劃與控制，本自平衡車還可擴展如北斗導航等多種功能模塊，可作為商業(yè)兩輪自平衡車的原型驗證車。：

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作者簡介：郭勇（1981年7月-），男，漢族，重慶銅梁人，博士，講師，成都工業(yè)學院，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、光電子學、微波光子學。