两轮自平衡小车设计报告

沈阳工业大学信息科学与工程学院第五届创新杯大学生电子设计竞赛双轮自平衡小车

摘要:本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过手机蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。关键字：智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。一、系统完成的功能根据老师的指导要求，在规定的时间内，由团队合作完成两轮自平衡小车的制作，使小车在一定时间内能够自助站立并且自由行走， 以及原地转圈，上坡和送高处跃下站立。二、系统总体设计原理框架图编码器图2.1系统总体框图.系统硬件各个组成部分介绍.系统硬件各个组成部分介绍3.1.STM32单片机简介(stm32rbt6)主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用 ARM公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz256K的程序存储空间、48K的RAM8个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART一个USB一个CAN两个和一个SDIO,并集成有3个ADC和一个DAC具有80个I/0端口。STM32单片机要求2.0〜3.6V的操作电压(VDD),本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。3.2.陀螺仪传感器陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。本设计选用MPU-6050°MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP(DigitalMotionProcessor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其 I2C或SPI接口输出一个9轴的信号(SPI接口仅在MPU-6000可用)。MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器 MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个 16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为土 250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计可测范围为土2，±4，±8，±16g。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用 400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口(SPI仅MPU-6000可用)。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。 另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有土 1%变动的振荡器。芯片尺寸 43430.9mm，采用QFN封装(无引线方形封装)，可承受最大10000g的冲击，并有可编程的低通滤波器。关于电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。 VLOGIC电压可取1.8±5%或者VDD。图3.2.1陀螺仪外观图

33电机驱动3.3.1.TB6612由于TB6612相对于传统的L298N效率上提高很多，体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热，所以我们设计的时候选择了这款芯片。图3.3.1TB6612外观图3.3.2.PWM原理PWM即脉冲宽度调制，它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。在PWM区动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。因此，PWh又被称为“开关驱动装置”。如图7所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。vv▲图332PWM波形图设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax设占空比为D=t/T,则电机的平均速度为：Vd=VmaX2D（1）式中：Vd表示电机的平均速度；Vmax表示电机全通电时的速度（最大）；D=t/T表示占空比。由公式（1）可见，当改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。3.4蓝牙模块蓝牙模块可以让原来使用串口的设备摆脱线缆的束缚在 10米范围内实现无线串口通信。使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷。蓝牙透传模块只有 4个AT指令，分别是测试通讯，改名称，改波特率，改配对密码，AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置，不能通过蓝牙信道设置。发送AT指令的设备可以是各种类型的MCU比如51，avr，pic，msp43Qarm等），也可以是电脑通过串口（PC串口接MAX232^后或者USB转串口）发送。由于HC-06有低功耗，低成本的特性，所以我们选择了这款芯片。图3.4蓝牙模块外观图3.5编码器编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种； 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。四、软件设计软件部分实现的主要功能是：传感器的数据采集、 PWM信号的输出、车模控制：包括直立控制，速度控制。软件流程如下：初始化完成以后，首先进入车模直立检测子程序。该程序通过读取陀螺仪传感器的数值判断车模是否处于直立状态。在中断程序中不断的读取编码器数据，获取车模状态信息，然后通过读取的数据控制车模。1■蓝牙控制程序：if(uart_receive==OxOO)Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;//刹车if(uart_receive==OxO1)Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;//前进if(uart_receive==0x05)Flag_Qian=0,Flag_Hou=1,Flag_Left=0,Flag_Right=0;〃后退elseif(uart_receive==0x02||uart_receive==0x03||uart_receive==0x04)Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1; //右转弯elseif(uart_receive==0x06||uart_receive==0x07||uart_receive==0x08)

Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=1,Flag_Right=0; 〃左转弯2■控制程序:比例（Ph积分（小微分｛D）控制算法各有作用：出例,反应系统的基本（当前）偏差聆系数大「可以加快调节，减小俣差,但过大的比側使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分,反应系统的累计偏差’使系统消除稳态误差,提高无差度.因为有误望,积分调节就谨亍直至无俣羞；微分*反映系统偏差信号的变化率球卜的・小貝有價见也能预见偏差变化的趋勢'产生超前的控制作用，在偏羞还没有形成之前，己被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必須与比例控制配合。直立PD控制：floatbalance(floatangle,floatGyro){staticfloatBias,angle_i;floatbalanee;Bias=angle-5;angle_i+=angle;balance=p*Bias+d*Gyro+i*angle_i;if(Turn_Off(Angle_Balance)==1)angle_i=0;returnbalanee;}速度PI控制：intvelocity©ntencoder_left,intencoder_right){staticintVelocity,Encoder_Least=0,Encoder,Movement;staticlongEncoder」ntegral;if(1==Flag_Qian) Movement=5;elseif(1==Flag_Hou)Movement=-5;elseMovement=0;Encoder_Least=(encoder_left*0.5+encoder_right*0.5)*0.9;Encoder*=0.7;Encoder+=Encoder_Least*0.3;Encoder_Integral+=Encoder;Encoder_Integral=Encoder」ntegral-Movement;if(Encoder_Integral>15000) Encoder_Integral=15000;if(Encoder」ntegral<-15000)Encoder_Integral=-15000;if(Encoder==0)Encoder_Integral=Encoder」ntegral*0.9965;if(Encoder==0)Encoder_Integral=0;Velocity=Encoder*vp+Encoder」ntegral*vi;if(Turn_Off(Angle_Balance)==1) Encoder_Integral=0;returnVelocity;}voidPID_INIT(){p=60;d=0.15;i=0;vp=36;vi=1.2;五、制作困难本作品制作过程中遇到了很多困难。在硬件方面， STM32烧坏好几个，造成了经济损失，后来经过检查电路和改进，能够稳定安全运行。设计初期我们试验L298N作为电机驱动，发现反映过慢，后来改用TB6612，效果非常好。PID参数的调试花费了大量的时