一種自動(dòng)避障雙輪平衡小車(chē)的研制

摘要：為進(jìn)一步提高平衡小車(chē)的精度、穩(wěn)定性及運(yùn)行安全性，研制了一款自動(dòng)避障雙輪平衡小車(chē)，其核心處理器采用STM32F103C8T6芯片，使用MPU6050傳感器采集小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的車(chē)身姿態(tài)，并通過(guò)編碼器獲取小車(chē)的角度和加速度，然后采用PID算法獲取合適的PWM值作用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上，通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)身的平衡及轉(zhuǎn)向。利用超聲波和舵機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)小車(chē)的避障功能，使其在遇到障礙物時(shí)自主選擇方向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。通過(guò)調(diào)試分析表明，該平衡小車(chē)能夠在保持平衡移動(dòng)的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確感知和避開(kāi)障礙物。該平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)靈活、成本低，適合在危險(xiǎn)狹小的空間里工作，對(duì)促進(jìn)智能機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：平衡小車(chē)；PID控制；超聲波避障；STM32單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.08.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 08-0059-07

Development of an Automatic Obstacle Avoidance Double-wheeled Balancing Vehicle

ZHOU Xiaoyuan，ZHOU Hongyan

（ School of Intelligent Manufacturing， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473000， China ）

Abstract：In order to further improve the accuracy， stability and operation safety of the balancing vehicle， this paper designs and develops an automatic obstacle avoidance double-wheeled balancing vehicle. Taking STM32F103C8T6 chip as the core processor， the MPU6050 sensor is used to collect the body attitude during the vehicle movement. The angle and acceleration of the vehicle are obtained through the encoder. Then the appropriate PWM value obtained by PID algorithm is acted on the motor drive chip. The balance and steering of the body during the vehicle movement can be realized by controlling the forward-reverse rotation and the rotation speed of the motor. In addition， ultrasonic and servo modules are used to realize the obstacle avoidance function of the vehicle， so that it can choose the direction independently when encountering obstacles， and then the steering is achieved. Finally， through debugging and analysis， the results show that the balancing vehicle can accurately perceive and avoid obstacles while keeping balanced movement. The balancing vehicle designed and developed in this paper is more flexible in movement and lower in cost， and it is more suitable for working in dangerous and narrow space. It is of great significance to the development and application of intelligent robot.

Key words：balancing vehicle；PID control；ultrasonic obstacle avoidance；STM32 microcontroller

如今越來(lái)越多的平衡小車(chē)走進(jìn)了人們的日常生活中。平衡小車(chē)是集機(jī)械、數(shù)據(jù)處理、電子為一體，具有較復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，是眾多做控制算法的最理想平臺(tái)。我國(guó)首次出現(xiàn)雙輪平衡車(chē)是在2004年，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制，該平衡車(chē)通過(guò)傾角傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等采集信息，并傳到主控芯片中進(jìn)行處理計(jì)算，輸出合適的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波形對(duì)小車(chē)進(jìn)行平衡控制[1]。隨后，西安電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等相繼研發(fā)出雙輪平衡車(chē)。此外，一些大型科技公司，如谷歌、特斯拉等，也在研究和開(kāi)發(fā)智能避障小車(chē)[1]。

目前，平衡車(chē)仍是機(jī)器人領(lǐng)域里最重要的研究課題之一。基于STM32的兩輪自平衡小車(chē)具有功耗低、尺寸小、可靠性高等特點(diǎn)，可以在密閉狹小的空間內(nèi)工作[2]，為智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展提供技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

因此，本文研制一種以STM32F103C8T6芯片為主控制器的雙輪平衡小車(chē)，利用超聲波測(cè)距技術(shù)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向功能實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)避障功能。該小車(chē)具有靈活性高、智能化控制、節(jié)能、環(huán)保、轉(zhuǎn)彎半徑為零等優(yōu)點(diǎn)，在狹小空間內(nèi)進(jìn)行操作非常方便，從民用、科研以及軍事來(lái)看都極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 主要研究?jī)?nèi)容

首先，通過(guò)分析小車(chē)的平衡原理及避障原理，設(shè)計(jì)出小車(chē)的硬件電路并完成相應(yīng)元器件的選型，確定小車(chē)整體布局。然后，對(duì)姿態(tài)檢測(cè)模塊MPU6050、編碼器、舵機(jī)、超聲波等硬件進(jìn)行原理分析，設(shè)計(jì)出合理的外圍電路，完成小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)。最后，在keil uVision5軟件上編寫(xiě)相關(guān)程序，配合使用PID（Proportional- Integral-Derivative，比例－積分－微分）算法使其實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，完成小車(chē)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析。

1.1 平衡原理

小車(chē)平衡控制受力如圖1所示。可以看出，小車(chē)站立時(shí)當(dāng)向前傾斜一定角度，小車(chē)的車(chē)輪會(huì)向傾斜的另一側(cè)運(yùn)動(dòng)。

a為小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度；m為小車(chē)質(zhì)量；F為小車(chē)受力；

θ為小車(chē)傾斜角度。

由圖1推導(dǎo)可得：

（1）

式中：為加速度對(duì)應(yīng)比例系數(shù)。

實(shí)際中還需加上阻尼力，則：

（2）

式中：為考慮了阻尼力時(shí)的小車(chē)受力；為阻尼力對(duì)應(yīng)比例系數(shù)；為角速度。

進(jìn)而得：

（3）

式中：為考慮了阻尼力的小車(chē)加速度。

即，當(dāng)平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其加速度為，且保證＞g、＞0，就可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自平衡。

本設(shè)計(jì)中采用直立閉環(huán)控制和速度閉環(huán)控制共同構(gòu)成串極PID控制，如圖2所示。

增量式離散PID一般公式為：

（4）

式中：為PWM增量輸出；為比例項(xiàng)參數(shù)；為積分項(xiàng)參數(shù)；為微分項(xiàng)參數(shù)；為本次偏差；為上一次的偏差；為上上次的偏差。

速度環(huán)使用比例與積分控制，需要調(diào)節(jié)比例項(xiàng)參數(shù)和積分項(xiàng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，且比例控制與積分控制的極性相同[3]。其中，比例控制用于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，積分控制用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。其增量式離散PID一般公式簡(jiǎn)化為：

（5）

把速度環(huán)和直立環(huán)串聯(lián)后，速度環(huán)的輸出量為直立環(huán)的輸入量，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算后直立環(huán)的輸出量再作用到直流減速電機(jī)上，使得平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)之后產(chǎn)生傾角。對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

（6）

（7）

式中：為直立環(huán)的輸出量，即輸出于小車(chē)的PWM；為小車(chē)當(dāng)前的傾角；為速度環(huán)的輸出量；為速度環(huán)中目標(biāo)速度與當(dāng)前速度的偏差；為偏差的積分項(xiàng)；、分別為速度環(huán)所采用的比例項(xiàng)參數(shù)、積分項(xiàng)參數(shù)。

為使平衡小車(chē)能夠自主轉(zhuǎn)向，應(yīng)在控制系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)向環(huán)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向環(huán)計(jì)算后，輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，來(lái)調(diào)整左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，車(chē)輛會(huì)繞著中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)障礙物的位置和車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)計(jì)算所需的轉(zhuǎn)向角度，并相應(yīng)調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速，使平衡車(chē)能夠繞過(guò)障礙物。

1.2 避障原理

小車(chē)上的傳感器可以感知周?chē)h(huán)境，然后根據(jù)感知到的信息進(jìn)行決策和控制，從而達(dá)到避開(kāi)障礙物的目的。當(dāng)超聲波識(shí)別到前方有障礙物時(shí)，要先調(diào)用中斷子程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的精確控制以及避障[4]。小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)超聲波發(fā)出與接收的時(shí)間差來(lái)測(cè)量高電平的持續(xù)時(shí)間，再計(jì)算距離[5]為：

（8）

式中：S為小車(chē)與障礙物之間的距離；為高電平持續(xù)時(shí)間；為聲速，取340 m/s。

自動(dòng)避障雙輪平衡車(chē)的避障模塊運(yùn)行程序框圖如圖3所示。

所設(shè)定的檢測(cè)距離為20 cm。小車(chē)前進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到前方障礙物與小車(chē)的距離小于20 cm時(shí)，小車(chē)停止運(yùn)動(dòng)，并且測(cè)量各個(gè)角度上小車(chē)與障礙物的距離，同時(shí)將測(cè)量到的數(shù)據(jù)存到數(shù)組中，使用冒泡法對(duì)比找出距離障礙物的最大值。然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫≤?chē)的主控系統(tǒng)，確定自主避障模式。最后電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收到信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作，使平車(chē)實(shí)現(xiàn)自主避障功能[6]。

1.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

平衡小車(chē)的電路模塊設(shè)計(jì)分為STM32模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、MPU6050姿態(tài)模塊和電源供電模塊。微處理器STM32采集并處理MPU6050和編碼器等傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成小車(chē)的自動(dòng)平衡和轉(zhuǎn)向；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)STM32F103C8T6芯片輸出的PWM方波來(lái)控制直流減速電機(jī)；MPU6050模塊檢測(cè)小車(chē)的角度和加速度，再將數(shù)據(jù)傳到STM32；電源供電模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)控制系統(tǒng)電路提供穩(wěn)定的電源；超聲波模塊檢測(cè)小車(chē)與前方障礙物的距離[7]。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

小車(chē)所用芯片為STM32F103C8T6，該控制器的內(nèi)核為Cortex-M3，CPU（Central Processing Unit，中央處理器）為32位，其處理速度可達(dá)72 MHz。該芯片上具有豐富的外設(shè)，且具有性能高、功耗低、成本低等特點(diǎn)，因此非常適合用于平衡小車(chē)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

小車(chē)采用TB6612芯片做直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，可以有效避免沖擊電流對(duì)電機(jī)繞組的影響[8]。用這種芯片做電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其穩(wěn)定性高且外圍電路簡(jiǎn)單，有利于減小系統(tǒng)尺寸，同時(shí)可通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生4路PWM信號(hào)，然后通過(guò)設(shè)置CCR（Capture Compare Register，捕獲/比較寄存器）的值來(lái)控制占空比以控制速度大小。TB6612FNG電路接線(xiàn)圖如圖5所示，其中A和B分別為一組電機(jī)的輸入端和輸出端。

2.3 編碼器模塊

編碼器輸出的A、B相方波相位差為90°，因此可以通過(guò)相位差判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。若A相超前B相90°，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若B相超前A相90°，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。具體轉(zhuǎn)速計(jì)算為：

（9）

式中：N為電機(jī)轉(zhuǎn)速；為電源頻率；Z為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)；為編碼器脈沖數(shù)；為統(tǒng)計(jì)時(shí)間。

2.4超聲波模塊

超聲波模塊選用HC-SR04，可通過(guò)發(fā)送超聲波信號(hào)并接收回波信號(hào)來(lái)測(cè)量物體與傳感器之間的距離，其震動(dòng)頻率高于20 kHZ。

超聲波采用的是IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，也可以接收到回波信號(hào)，并根據(jù)接收到回波信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間，然后利用傳播時(shí)間計(jì)算出小車(chē)與障礙物之間的距離。由于超聲波測(cè)距的精度受多種因素影響，因此在使用時(shí)需要根據(jù)具體情況選擇合適的超聲波傳感器，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和調(diào)試。

2.5 舵機(jī)模塊

180°舵機(jī)采用SG90，使能電壓為3.3 V，SG90的控制需要周期為20 ms的時(shí)基脈沖。

舵機(jī)與超聲波模塊進(jìn)行配合以完成避障功能，舵機(jī)在0°、45°、90°、135°、180°位置上進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，超聲波模塊則檢測(cè)各個(gè)角度上小車(chē)與障礙物之間的距離，當(dāng)距離小于20 cm，則小車(chē)需要避開(kāi)障礙物。程序指令根據(jù)距離值控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，使小車(chē)完成停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等指令，從而使小車(chē)避開(kāi)障礙物。舵機(jī)控制要求示意圖如圖6所示。

F為一個(gè)脈沖周期，18 ms≤F＜20 ms；1 ms≤脈寬≤2 ms；

1 ms為脈沖右轉(zhuǎn)極限位置，2 ms為脈沖左轉(zhuǎn)極限位置，

1.5 ms舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.6 姿態(tài)測(cè)量模塊

姿態(tài)傳感器采用MPU6050，可以測(cè)量六個(gè)物理量（小車(chē)在X、Y、Z三個(gè)軸上的傾斜程度和三個(gè)軸上速度的變化率），其精度高、功耗低，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)平衡小車(chē)等領(lǐng)域。此外，為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)信息的要求，需要聯(lián)合陀螺儀與加速度計(jì)共同構(gòu)成姿態(tài)讀取模塊[9]。

2.7 電源供電模塊

使用航模3S電池，其輸出電壓為12 V。系統(tǒng)中，電機(jī)、芯片、微控制器需要不同的驅(qū)動(dòng)電壓，因此需經(jīng)過(guò)降壓后輸出3.3 V和5 V的穩(wěn)定電壓來(lái)給系統(tǒng)供電，即還需選用降壓芯片LMS2596。LMS2596是一種高效的降壓穩(wěn)壓器芯片，能夠?qū)⒏唠妷航档偷捷^低的電壓，同時(shí)還能保持輸出電壓的穩(wěn)定性。電源電路另一側(cè)選用芯片AMS1117降壓，再把5 V電壓降壓為穩(wěn)定的3.3 V電壓給STM32微控制器使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 平衡車(chē)主程序設(shè)計(jì)

采用STM32F103C8T6作為主控芯片，系統(tǒng)主程序的流程圖如圖7所示。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及編碼器模塊程序設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要用于檢測(cè)左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，所以需要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FBG，而單片機(jī)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片[10]。以右輪電機(jī)為例說(shuō)明AIN1與AIN2驅(qū)動(dòng)電機(jī)方向的真值表，如表1所示。

本設(shè)計(jì)中，編碼器模塊能檢測(cè)直流減速電機(jī)的速度。所使用的編碼器為雙路編碼器，A相和B相的脈沖信號(hào)相差90°，通過(guò)檢測(cè)A、B相的關(guān)系，可以快速確定旋轉(zhuǎn)方向。該編碼器精度為13線(xiàn)，電機(jī)減速比為30。編碼器初始化流程圖如圖8所示。

3.3 超聲波模塊功能實(shí)現(xiàn)

所用超聲波模塊型號(hào)為HC-SR04，使用時(shí)需給觸發(fā)引腳一個(gè)至少10 μs的脈沖信號(hào)，此時(shí)模塊發(fā)出超聲波，回波引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，?dāng)模塊接收到彈回來(lái)的超聲波，則回波引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?。通過(guò)測(cè)量高電平的持續(xù)時(shí)間，即可計(jì)算出距離[11]。

在中斷中計(jì)算出小車(chē)與五個(gè)方向上的距離，利用冒泡法比較出小車(chē)與障礙物距離的最大值是在0～90°內(nèi)還是在90°～180°內(nèi)。若在0～90°內(nèi)，則小車(chē)右轉(zhuǎn)；若在90°～180°內(nèi)，則小車(chē)左轉(zhuǎn)。

3.4 運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

主要使用PID算法。PID控制是通過(guò)對(duì)比目標(biāo)值與當(dāng)前值得到控制偏差，并對(duì)偏差的比例、微分與積分進(jìn)行控制，使偏差趨向于零的過(guò)程[12]。PID公式為：

（10）

式中：為輸出的控制量；為當(dāng)前值與期望值的偏差。

為方便計(jì)算機(jī)處理，作離散化處理，得：

（11）

反饋公式為：

（12）

式中：P為計(jì)算反饋的PWM信號(hào)；為直立環(huán)的目標(biāo)角度，要使小車(chē)保持在水平位置，將期望值設(shè)置為0；為直立環(huán)的當(dāng)前角度。

為使小車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中能自主保持平衡，需要加入速度環(huán)。本設(shè)計(jì)使用串極PID控制算法，即速度控制和直立控制共同作用于直流減速電機(jī)。PI控制器中要求速度盡量變化緩慢和平穩(wěn)，所以在速度環(huán)中應(yīng)用了一階低通濾波[13]。一階低通濾波器時(shí)域表達(dá)式為：

（13）

式中：為濾波系數(shù)；n為第n次采樣。

3.5 系統(tǒng)硬件及軟件調(diào)試結(jié)果分析

平衡小車(chē)實(shí)物如圖9所示。由于小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要保持平衡，因此小車(chē)上模塊的布局應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)。對(duì)上電后的小車(chē)進(jìn)行多次測(cè)試，小車(chē)上OLED屏幕可顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

行駛過(guò)程中，小車(chē)會(huì)對(duì)周?chē)系K物進(jìn)行檢測(cè)，從而選擇合適的方向進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。舵機(jī)復(fù)位后起始位置在90°方向，檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，小車(chē)停止運(yùn)動(dòng)，隨即舵機(jī)檢測(cè)0°～180°方向上小車(chē)與周?chē)系K物的距離，并選擇距離最大值的方向轉(zhuǎn)彎。檢測(cè)實(shí)物圖如圖10所示。

小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，手動(dòng)前后晃動(dòng)小車(chē)時(shí)，MPU6050模塊測(cè)得的角度波形如圖11所示。

小車(chē)真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)測(cè)得的角度進(jìn)行濾波后的波形如圖12所示?？梢钥闯觯≤?chē)剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，MPU6050可以檢測(cè)到角度波動(dòng)，經(jīng)過(guò)濾波算法后，小車(chē)能夠保持平衡。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高自動(dòng)避障雙輪平衡小車(chē)的精度、穩(wěn)定性以及運(yùn)行安全性，研制了一種以STM32F103C8T6芯片為主控制器的自動(dòng)避障雙輪平衡小車(chē)樣機(jī)，采用超聲波測(cè)距技術(shù)使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。主要完成了以下工作：

（1）分析了小車(chē)的受力情況、平衡原理以及避障原理，確定了控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，以STM32、MPU6050、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和超聲波避障電路作為整個(gè)硬件電路的核心。其中超聲波測(cè)量小車(chē)與障礙物間的距離，MPU6050采集小車(chē)傾斜角度。

（3）對(duì)小車(chē)的各個(gè)模塊進(jìn)行了程序編寫(xiě)。主要包括姿態(tài)傳感器的信息采集與主控制器的通信程序，卡爾曼濾波對(duì)采集到的信息進(jìn)行抗干擾處理程序。主控制器內(nèi)部使用PID算法，并通過(guò)算法計(jì)算占空比，進(jìn)一步輸出PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序。

（4）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件調(diào)試，結(jié)果表明，小車(chē)可以平穩(wěn)運(yùn)行，并可以自主對(duì)前方障礙物做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向處理，完成預(yù)期目標(biāo)。

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