两轮自平衡车实验平台的设计

王恒++沈梦娇

摘 要：两轮自平衡小车具有重要的应用与理论研究意义。文中设计了两轮自平衡小车的实验平台，系统分为5个模块：电源管理模块，微处理器模块，电机驱动模块，姿态传感器数据采集模块，以及蓝牙无线通讯模块。本设计从硬件电路，软件设计对系统的5个模块分别进行了详细设计。最后，制作了两轮自平衡小车的原型，并给予了初步运动控制验证。该实验平台能够初步实现自平衡功能，后续的研究将着重于对控制算法在该平台的验证研究。

关键词：两轮自平衡小车；数据融合；卡尔曼滤波；STM32

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-04

0 引 言

两轮自平衡小车（two-wheeled self-balanced vehicle）或两轮自平衡机器人（two-wheeled self-balanced robot）是一种类似人类直立姿态的平衡控制系统，其核心问题是如何保证在各工况下运动姿态的平衡控制及导航[1]。两轮自平衡小车或机器人系统是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的系统[2]。其系统设计不仅要考虑机械结构的运动学设计[3] ，也要考虑动力学设计[2]、能量设计[4]、控制系统的参数辨识、控制系统的滤波处理[5]等，然后建立相应的控制策略，设计确实可行的控制器[6]，实现自平衡小车在各工况下的运动平衡控制。

两轮自平衡小车在实践应用上，可用于军事领域中的侦查、排雷、单兵载人等，或作为日常生活中的短途交通工具[7]。然而，目前两轮自平衡小车更多的是其理论研究的意义，它是检验各种控制理论控制性能的一个较好的实验平台[8]。目前国内不少院校都对两轮自平衡小车进行了研究，主要为哈尔滨工业大学赵杰团队[8]，西安电子科技大学屈胜利团队[9]，北京工业大学阮晓刚团队[1， 2]等。国外也对两轮自平衡小车有研究，如Sayidmarie[10]等对两轮自平衡机器人上坡的平衡控制进行了研究，Slavov[11]等人基于线性二次型控制（linear-quadratic regulator， LQR）对两轮机器人进行了研究，Larimi[12]等构建了反作用轮系辅助的两轮小车的新型的稳定算法，Kim[13]等建立了两轮自平衡移动机器人的动态模型等。这说明两轮自平衡小车不仅仅在应用需求上，尤其在学科理论需求上，对其研究都具有重要的意义。因此，作为进行各种平衡控制理论研究的第一步，对两轮自平衡小车的实验平台的研制具有非常重要的意义。

本文主要设计了两轮自平衡小车的实验平台。设计采用STM32F103C8T6为核心处理器进行控制，姿态检测选用MPU6050运动处理传感器，数据融合采用卡尔曼滤波算法，结合陀螺仪的快速响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到小车的倾角。然后通过PID算法使小车能够处在一个相对平衡的位置，从而保持直立的姿态。系统控制参数的选择采用系统辨识的方法，在Matlab仿真平台得到系统的优化参数，并写入编写好的C语言软件，通过HC-06蓝牙模块可以使用Android手机控制小车实现前进、后退、左转、右转等动作模式。

1 系统设计

本设计采用模块化设计思想，系统总体功能框图如图1所示，分为五个模块，分别为：电源管理模块，微处理器模块，电机驱动模块，姿态传感器数据采集模块，以及蓝牙无线通讯模块。电源管理模块负责整个系统的供电，微处理器模块为系统的控制与数据处理核心，姿态数据采集模块为采集小车的姿态（包括加速度和角速度），然后通过微处理器控制算法后，再驱动电机控制模块运动以保持平衡，而蓝牙通讯模块则通过手机设备控制系统的运行，同时，系统运行的数据也可以上传到手机或电脑上。

图1 系统功能框图

2 硬件电路设计

2.1 电源管理模块

系统主要使用的电平为12 V，5 V，3.3 V共三种电平，其中STM32F103C8T6、MPU6050、HC-06主要采用3.3 V供电，电机驱动模块用12 V和5 V供电。所以，本设计总电源使用12 V的锂电池供电，采用LM2576将锂电池进行降压为5 V，再利用LM1117把得到的5V电平降为3.3 V。

2.2 STM32F103微处理器模块

系统采用STM32F103C8T6意法半导体（ST）的32位ARM Cortex-M3 内核的微处理器。该处理器正常工作主频为72 MHz，具有12 bit 分辨率的ADC，以及16 bit 电机控制PWM定时器，2个I2C接口（SMBus/PMBus）。该处理器可应用于电机驱动，应用控制，医疗手持设备，游戏，GPS平台等多种场合，所以，本设计采用STM32F103C8T6具有一定的合理性。其最小系统电路图如图2所示。

2.3 电机驱动模块

自平衡小车的驱动电机为两个无刷直流电机（电机A为左侧电机，电机B为右侧电机）。采用L298N芯片作为电机驱动电路的主芯片，小车的不同状态运动通过电机的三种转动方式（正转，反转，停止）实现，具体如表1所列。电机驱动电路原理图如图3所示。L298N的VSS接5 V电源，VS接12 V电源。IN1、IN2、IN3、IN4分别接STM32的PB1、PB0、PB6和PB5，ENA接PA0，ENB接PA1，此接法不是唯一的，可以根据程序中的端口设置进行相应的更改。具体的控制过程：角速度和加速度经过闭环控制之后产生一个结果，其运算结果用来改变PWM脉冲的占空比，进而分别控制了左电机和右电机的转速。在两个电机之间加入二极管主要是为了保护电路的安全运行。

表1 引脚状态电机制动电机A IN1 IN2 电机B IN3 IN4

正转 1 0 正转 1 0

反转 0 1 反转 0 1

停止 0 0 停止 0 0

—— 1 1 —— 1 1

2.4 姿态传感器模块

为了得到高精度的角度检测，系统采用Invensense 公司的MPU6050，该姿态传感器同时集成了3轴加速度和3轴陀螺仪，自带16位AD转换，加速度测量范围为±16 g（实际应用仅为±2 g范围），倾角角度测量范围不到1度。所以不需要分别使用加速度计和陀螺仪，以及相应的ADC电路，但此处数据不能简单采集使用，还需要经过微处理器卡尔曼滤波融合算法才可得到倾角。姿态传感器模块电路如图4所示。

2.5 蓝牙无线通讯模块

自平衡小车系统可以通过无线方式和上位机或者手机进行通讯，实现手机控制小车运行，并同时把数据上传到手机上。本设计采用的是蓝牙模块HC-06，此模块波特率可变，串口电压为3.3 V或者5 V，可以进行主从机切换，并且可以通过AT指令改变一些出厂的基本设置，如名字和密码等。HC-06主要用来接收安卓手机发送的指令，接收到之后，把指令通过串口发送给主控芯片，再由单片机控制电机，根据不同的指令来实现小车的左转、右转、前进和后退。HC-06原理图如图5所示。

图3 电机驱动电路

图4 MPU6050电路原理图

3 系统软件设计

系统的控制流程图如图6所示，主要包括：STM32的初始化，MPU6050初始化，姿态（倾角）信息的采集，卡尔曼滤波，倾角PID控制，PWM控制电机输出。系统软件开发为基于CMSIS架构的固件库开发平台，软件版本为MDK V4.12，它支持常见的ARM7，ARM9和ARM最新内核的CM3系列微处理器。

图6 系统控制流程图

STM32的初始化主要包括时钟初始化、延时初始化以及中断初始化。时钟初始化采用SystemInit（）。STM32是CM3内核的，所以其内部有一个SysTick定时器，而使用的延时函数就是以这个定时器为基准，delay_init（）函数主要是配置SysTick的中断时间，以及延时初始化fac_us和fac_ms两个参数。NVIC_Configuration（）函数主要用来设置抢占优先级和响应优先级。

MPU6050要根据装配位置，通过I2C读取各个轴角速度和各个轴的加速度，再进行卡尔曼滤波处理进行数据融合，然后得到融合后的倾角。数据读取函数、卡尔曼滤波函数分别为IIC_6050（）、Kalman（）。滤波器参数通过模型仿真与实验结合的方式得到。并写入到软件代码中。

电机控制可采用方波或正弦波控制。虽然正弦波相比有效率的多，但考虑到系统实现的复杂度和效率，本文采用方波来实现电机控制。设计采用TIM2的通道一和通道二产生PWM波输出，使用TIM2并设置其为定时器模式，脉冲宽度调制模式2，通过代码产生频率为18 kHz占空比可变的PWM，其中占空比由获取到的角速度和角度来控制，使用函数TIM_SetCompare（）来驱动电机。

本设计的手机显示界面如图7所示。设计没有使用查询而是使用中断接收指令，因此中断服务函数是整个串口模块的核心。当收到不同的指令时，通过控制电机转向进行不同的操作。需要注意的是每次控制电机之后都要调用一个清除缓冲区的函数，否则缓冲区的指令会保持不变，只能保持一个状态。串口不断接收从蓝牙传过来的指令，串口接收到的指令都是由Android程序控制的。程序分为两个部分，一个是XML文件，XML是布局文件，对此文件进行修改可以改变手机显示的界面，设计使用Button控件。另外一个是Java文件，真正的行为控制是Java文件来做的，首先要实例化Button，然后定义蓝牙地址变量，使之固定不变。本设计蓝牙设备的地址为00：21：13：07：BC，找到地址之后就要发送指令，这些指令都是由一些蓝牙架包实现的，最后把message发送出去。本设计中若message指令为G，则向前，若为B则后退，S为停止，L为左转，R为右转。

图7 手机界面

4 自平衡小车原型实物

本设计采用两个无刷直流电机控制，选择飞思卡尔竞赛使用的C型车模进行改装得到小车机械结构，底盘使用一块面包板来代替，板子和支架部分固定在一起。小车的倾角传感器MPU6050，电机控制模块L298，锂电池模块，降压模块，STM32核心板，蓝牙模块等都安装在面包板上面。完整车体如图8所示。通过手机控制界面，可以遥控两轮自平衡小车的运动，同时可以把采集数据上传到手机上。

图8 自平衡小车原型

5 结 语

本文对两轮自平衡小车实验平台进行了设计，作为较为理想的验证各种控制理论的实验平台，进行了系统的硬件平台设计、软件平台设计以及机械平台设计。系统主要以STM32F103 32 位 ARM控制器为核心，采用卡尔曼融合滤波算法对MPU6050姿态传感器进行数据处理，通过PWM控制左、右电机的运动，该系统能够初步实现小车的运动平衡控制。后期的研究将着重理论控制算法的仿真，与参数融合优化方面。

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