【《两轮自平衡小车控制系统的硬件和软件设计案例》3400字】

1.两轮自平衡小车控制系统的硬件和软件设计案例1系统的硬件设计1.1单片机STM32C8T6STM32C8T6单片机采用ARM32位的CorteTM-M3CPU，这款芯片能在很高的频率下运作，同时STM32C8T6单片机有丰富的I/O口，以提供给设计者们使用。同时这款芯片还集成了用于捕捉收集脉冲信号的定时器通道，以及各种各样的通讯接口。STM32C8T6单片机因为它有着简易的操作，优秀的性能，低廉的价格等诸多优点，让这款芯片成为电子产品设计者们心中的优质选择。在这次小车的设计中，STM32C8T6作为主控芯片控制着各个模块的工作。PB8和PB9脚负责控制与陀螺仪之间的信号传输，PB10和PB11脚则是负责与蓝牙模块之间的通讯，PB12~PB15脚，PA2~PA3脚控制着驱动电路，PB6，PB7脚连接着电机，通过这两个引脚控制电机转动的速度。PB1，PB0脚则负责接收超声波测距模块发送回来的信号。下图1.1为STM32C8T6主控模块与其他模块的接线定义：图1.1主控模块结构图1.11.2陀螺仪MPU6050陀螺仪在双轮平衡车的主要功能为收集小车运动过程中偏转角度的信息，将采集到的物理信息转化电信号，输送给STM32C8T6单片机进行处理。该款陀螺仪使用了集成设计结构，从PCB板的空间，如图1.2图1.2陀螺仪的实物与结构图下图1.3为与STM32C8T6的连接图：陀螺仪的SCL和SDA脚与主控芯片的PB8和PB9脚进行连接。图1.3陀螺仪与STM32C8T6的连接图1.3蓝牙模块双轮平衡的设计采用的是普通的固定波特率的蓝牙模块。初始密码默认为：123。接线定义如下图1.4：其中RDX与TDX和主控芯片的PB10和PB11脚进行连接。图1.4蓝牙模块接线结构图1.4TB6612FNG驱动模块TB6612是双驱动，这种结构可以驱动两个电机的工作，使用时要将其与STM32C8T6单片机对应接口进行连接，接线时应严格遵守接线定义。接线定义如下图1.5：图1.5驱动模块接线结构图其中11，12，14，15号管脚与主控芯片的PB12~PB15脚连接，PWMA和PWMB与主控芯片的PA2~PA3脚连接。逻辑真值表1.3如下输入输出IN1IN2PWMSTBYO1O2模式状态HHH/LHLL制动LHHHLH反转LHLHLL制动HLHHHL正转HLLHLL制动LLHHOFF停止H/LH/LH/LLOFF待机表1.3逻辑真值表1.5直流减速电机GB37GB37电机是一种体积很小的直流减速电机，轻巧的体积和重量可以极大减小最后小平衡车的重量，本次设计的小车使用的是一款霍尔传感器测速码盘，减速比为1:30的520的电机。这种电机的额定电压为12V，减速前转速330rpm，空转电流为50ma，功率为2.8w，堵转最大电流为6.5A，减速箱长度为22mm。其中电机的M2A，M2B脚与主控芯片的PB6，PB7脚相连接。1.6超声波测距模块超声波测距模块（HC-SR04）通过两个接口电平的改变，记录计时器接收到信号的时间，由于超声波的速度为声速，通过计算便能知道被测物体到超声波测距模块的距离。接线定义如下图1.6：模块的2，3号管脚与主控芯片的PB1，PB0脚相连。图1.6超声波模块接线结构图1.7系统硬件系统设计在上述硬件准备完备后，开始小车的组装与调试，各个模块按照接线定义与主控芯片连接好，接下来可以开始电路与软件数据的调试。工作原理如下流程图1.7图1.7小车硬件系统组成结构图电路划分为以下几个模块:(1)单片机最小系统:包括DSC处理器，程序下载调试接口等;(2)蓝牙模块:接收手机蓝牙控制信号，在这里用蓝牙模块充当无线串口用，由手机蓝牙作为蓝牙母机，通过手机上位机软件发送一系列的ASCII数据给蓝牙模块，蓝牙模块再以串口发送给单片机，单片机接收到数据后通过一定的数据处理，然后得到方向的信息，控制小车加减速或者转弯等系列动作。、(3)陀螺仪:包括两个姿态传感器信号放大滤波电路:(4)速度检测:检测电机光码盘脉冲的频率，实际上包括两个光码盘的传感器:(5)电机驱动:驱动两个电机运行功率电路;(6)电源:电源电压转换，稳压，滤波电路；(7)设置于调试:显示系统运行状态、速度设定、程序下载和监控。2系统的软件设计2.1软件的设计分析双轮平衡车的软件部分是在keil的编译环境下运行的。软件方面主要的任务是收集陀螺仪发送回STM32C8T6的信号，对其进行滤波处理，再由单片机进行计算，分析小车目前的运动状态，最后把信号输出给电机，让电机转动，改变小车的运动方向，维持平衡。程序的运行流程如图2.12.1程序流程图2.2平衡车的PID算法2.2.1PID的原理PID（比例积分微分）英文全称为ProportionIntegrationDifferentiation，它是一个数学物理术语。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。（1）开环控制系统开环控制系统(open-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。（2）闭环控制系统闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(NegativeFeedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。（3）阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepfunction）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-stateerror)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。（4）PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2.2.2平衡车中的PID双轮平衡车是一个闭环系统，为了使车身能够平衡，需要两级PID，我采用了直立环算法，直立环通过陀螺仪发送的信号来控制小车的运动状态，这种算法可以十分有效的让小车保持平衡。因为采用了PID算法，所以要调节PID的参数。已知kp可以使系统作出更快的响应，也可以让小车高效的达到平衡状态，而ki和kp类似，所以在这里可以给ki赋0值。kd可以解决kp低频大幅度振动所造成的影响；这里还使用了速度环，加入速度环的目的是为了让小车能高效快速的回到静止状态。为了实现平衡不倒这一目的，只需要检测小车垂直方向上的加速度变化，就能让小车沿直线行驶，不会偏离。直立环算法的部分代码如下：intbalance(floatAngle,floatGyro){floatBias,kp=410,kd=1.4; intbalance; Bias=Angle-ZHONGZHI;/