【《基于stm32单片机的双轮自平衡小车结构设计》7700字（论文）】

基于stm32单片机的双轮自平衡小车结构设计摘要本次设计以STM32单片机为设计主体，配合电机霍尔传感器、倾角测量模块、车轮动力模块、距离测量模块、蓝牙等模块，使得双轮自平衡车在上电后，各个模块相互配合，通过自身的两个电机不断改变自身移动的方向和速度，从而实现把小车放在平面上，使其可以自己调节自身的平衡，保持直立行走。当有外部作用力的影响下，小车还可以保持原有的平衡状态。本次设计主要通过使用stm32单片机以及对单片机进行编程，实现双轮自平衡小车的一系列功能。关键词：STM32；单片机；平衡车1绪论1.1双轮自平衡车的背景近年来，我们一直在深入研究移动机器人，其应用领域越来越广泛，任务和场景也越来越复杂。机器人经常会遇到一些角落比较大的狭窄工作场所。如何在如此复杂的环境中灵活快速地执行科学任务，已经成为人们关注的一个方向。在此背景下，提出了两轮自平衡机器人的概念。两轮自平衡车辆是一种高度不稳定的两轮机器人，是一个多变量、非线性、强耦合系统。它是测试各种控制方法的典型装置。同时，由于其体积小、运动灵活、转弯半径为零，在军事和民用领域有着广阔的应用前景。两轮自平衡机器人是机器人研究的一个重要领域。手机、移动机器人技术是随着计算机技术、软件技术、微电子技术、材料技术等相关领域的进步而发展起来的。与空间技术一样，机器人技术的发展水平确实代表了一个国家的综合科技实力。1.2双轮自平衡车选题的目的和意义目的：将自己所学的理论知识与实践相结合并将其制作成实物。意义：双轮自平衡机器人具有两个线圈，一个独立驱动，其主体中心在轮轴上方，可以通过运动垂直移动，且可以保持平衡，由于其特殊的结构对地形变化有较强的适应能力，其运动也灵活，能在更为复杂的环境下工作，与传统的轮式移动机器人相比，两轮自平衡机器人具有以下几个优势:（1）它可以实现原地回转和从任何半径旋转，具有更灵活的轨道，弥补了传统多轮系统的不足：（2）它有占地面积小的优点，可运用于场地面积小或运动要求灵活的场合；（3）车身设计大大简化，机器人可以变得更轻更小；（4）有着较小的驱动功率，可以长时间为电池供电，这为环境友好型世界市场提供了一个新概念。两轮自平衡机器人是一个综合集成的系统，集成了动态决策，规划，环保意识和行为控制。重要的是要确保自身的平衡并适应不同环境中的控制任务，并使用了速度传感器，超声波传感器，倾斜传感器，防撞开关等。它可以实现复杂的校车跟踪功能和轨道规划独立障碍。GPS和惯性导航也可以使用内置的机器人导航装备。因此，两轮自平衡机器人看似复杂难懂，但是实现起来其实是相对简单的，世界各地的科学家们也对它的发展非常关注，它具有相当重要的学术研究意义。也正是因为它的这些显著优势，两轮自平衡机器人在通过一定改造后，可制作成为用于战斗工作的战斗机器人，它的发展前景也是非常广阔的。1.3双轮自平衡车的设计要求此次设计以stm32C8T6单片机为主体，通过机器传感器、偏角检测模块、车轮功率模块、测距模块、蓝牙等模块，完成该车的设计以及生产。2.两轮自平衡小车的设计概述2.1平衡小车原理平衡小车是通过两个电机运动下实现小车不倒下直立行走的多功能智能小车，在外力的推拉下，小车依然保持不倒下。这么一说可能还没有很直观的了解究竟什么是平衡小车，不过这个平衡小车实现的原理其实是在人们生活中的经验得来的。如果通过简单的练习，一般人可以通过自己的手指把木棒直立而不倒的放在指尖上，所以练习的时候，需要学会的两个条件：一是放在指尖上可以移动，二是通过眼睛观察木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手指的移动去抵消木棒倾斜的角度和趋势，使得木棒能直立不倒。这样的条件是缺一不可的，实际上加入这两个条件，控制过程中就是负反馈机制。而世界上没有任何一个人可以蒙眼不看，就可以直立木棒的，因为没有眼睛的负反馈，就不知道笔的倾斜角度和趋势。这整个过程可以用一个执行式表达：平衡小车也是这样的过程，通过负反馈实现平衡。与上面保持木棒直立比较则相对简单，因为小车有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。所以根据上述的原理，通过测量小车的倾角和倾角速度控制小车车轮的加速度来消除小车的倾角。因此，小车倾角以及倾角速度的测量成为控制小车直立的关键。我所设计的平衡小车使用了测量倾角和倾角速度的集成传感器陀螺仪-MPU6050。2.2平衡小车角度测量（PD算法）控制平衡小车，使得它作加速运动。这样站在小车上（非惯性系，以车轮作为坐标原点）分析倒立摆受力，它就会受到额外的惯性力，该力与车轮的加速度方向相反，大小成正比。这样倒立摆(如图2)所受到的回复力为：公式1F＝mgsinθ－macosθ≈mgθ－mk1θ式1中，由于θ很小，所以进行了线性化。假设负反馈控制是车轮加速度a与偏角θ成正比，比例为k1。如果比例k1>g，（g是重力加速度）那么回复力的方向便与位移方向相反了。而为了让倒立摆能够尽快回到垂直位置稳定下来，还需要增加阻尼力。增加的阻尼力与偏角的速度成正比，方向相反，因此公式1可改为：F＝mgθ－mk1－mk2θ按照上述倒立摆的模型，可得出控制小车车轮加速度的算法：a=k1θ+k2θ’；式中θ为小车角度,θ’为角速度。k1、k2都是比例系数根据上述内容，建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论小车通过闭环控制保持稳定的条件（这里需要对控制理论有基本了解）。假设外力干扰引起车模产生角加速度x（t）。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度以及外力干扰加速度a（t）x（t）之间的运动方程。如图3所示。在角度反馈控制中，与角度成比例的控制量是称为比例控制；与角速度成比例的控制量称为微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系数k1,k2分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力，可以有效抑制车模震荡。通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。总结控制车模直立稳定的条件如下：

（1）能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ’的大小；

（2）可以控制车轮的加速度。上述控制实际结果是小车与地面不是严格垂直，而是存在一个对应的倾角。在重力的作用下，小车会朝着一个方面加速前进。为了保持小车的静止或者匀速运动需要消除这个安装误差。在实际小车制作过程中需要进行机械调整和软件参数设置。另外需要通过软件中的速度控制来实现速度的稳定性。在小车角度控制中出现的小车倾角偏差，使得小车在倾斜的方向上产生加速。这个结果可以用来进行小车的速度控制。下面将利用这个原理来调节小车的速度。2.3平衡小车的速度控制(PI算法)假设小车在上面直立控制调节下已经能够保持平衡了，但是由于安装误差，传感器实际测量的角度与车模角度有偏差，因此小车实际不是保持与地面垂直，而是存在一个倾角。在重力的作用下，小车就会朝倾斜的方向加速前进。控制速度只要通过控制小车的倾角就可以实现了。具体实现需要解决三个问题：（1）如何测量小车速度？（2）如何通过小车直立控制实现小车倾角的改变？（3）如何根据速度误差控制小车倾角？第一个问题可以通过安装在电机输出轴上的霍尔测速来测量得到小车的车轮速度。如图所示。利用控制单片机的外部中断IO口在不间断测速，速度为脉冲信号的个数可以反映电机的转速。第二个问题可以通过角度控制给定值来解决。给定小车直立控制的设定值，在角度控制调节下，小车将会自动维持在一个角度。通过前面小车直立控制算法可以知道，小车倾角最终是跟踪重力加速度Z轴的角度。因此小车的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定小车的倾角。第三个问题分析起来相对比较困难，远比直观进行速度负反馈分析复杂。首先对一个简单例子进行分析。假设小车开始保持静止，然后增加给定速度，为此需要小车往前倾斜以便获得加速度。在小车直立控制下，为了能够有一个往前的倾斜角度，车轮需要往后运动，这样会引起车轮速度下降（因为车轮往负方向运动了）。由于负反馈，使得小车往前倾角需要更大。如此循环，小车很快就会倾倒。原本利用负反馈进行速度控制反而成了“正”反馈。3系统的硬件设计3.1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3.1为STM32C8T6主控模块与其他模块的接线定义：图3.1主控模块结构图3.13.2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3.2图3.2陀螺仪的实物与结构图下图3.3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3.3陀螺仪与STM32C8T6的连接图3.3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3.4：其中RDX与TDX和主控芯片的PB10和PB11脚进行连接。图3.4蓝牙模块接线结构图3.4TB6612FNG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3.5：图3.5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3.3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3.3逻辑真值表3.5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4.8w，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。3.6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3.6：模块的2，3号管脚与主控芯片的PB1，PB0脚相连。图3.6超声波模块接线结构图3.7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3.7图3.7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。4系统的软件设计4.1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4.14.1程序流程图4.2平衡车的PID算法4.2.1PID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。4.2.2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;//===求出平衡的角度中值和机械相关 balance=kp*Bias+Gyro*kd;//===计算平衡控制的电机PWMPD控制kp是P系数kd是D系数 returnbalance;}当Kp的值取得很高，系统就能更快地做出反应，但是平衡曲线的震荡就较大，所以需要引入速度环Kd参