基于STC12C5A60S2单片机的双轮自平衡小车控制系统设计

陈柔 刘寅生*沈阳工学院



基于STC12C5A60S2单片机的双轮自平衡小车控制系统设计

陈柔 刘寅生*
沈阳工学院

摘要：本文介绍了由单片机STC12C5A60S2、6轴集成姿态传感器MPU6050、电机驱动模块TB6612FNG等构成的双轮自平衡小车控制系统构成，软件部分应用了卡尔曼滤波方法与PID控制算法，实现双轮平衡小车的直立与行走。

关键词：双轮自平衡小车 姿态传感器 卡尔曼滤波 PID算法

1　双轮自平衡小车总体系统设计

双轮自平衡小车的总控制系统由微理器（STC12C5A60S2）模块、姿态传感器（MPU6050）模块、蓝牙模块（HC系列）、电源模块、电机驱动模块（TB6612FNG）及速度检测模块等组成。姿态传感器主要采用MPU6050，用于采集小车的角度和小车的角速度信息；选用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。

2　姿态传感器与姿态信号处理

传感器MPU6050是全球首个将陀螺仪与加速度计整合集成的运动处理组件，相对于较多组件的方案，免除了组合陀螺仪与加速度计之间的轴差问题，减少了大量的封装空间。

系统采用控制算法是PID控制，通过卡尔曼滤波整合车体角度、角速度、车体速度和位置等参数，输出PWM信号驱动电机，产生相应的力矩，从而使小车达到平衡。

3　驱动模块与速度检测

双轮平衡小车的两个直流减速电动机由TB6612FNG驱动模块驱动。TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，是一款新型驱动器件，它具有很高的集成度，同时能提供足够的输出能力，运行性能和能耗方面也具有优势。因此，在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器。

速度检测方面选择在电机上装一个编码盘，整合数电电路，使码盘直接输出数字信号便于MCU使用。

4　软件设计

在双轮平衡车的控制系统中，程序的功能主要是为了采集与分析来自传感器的信号以及产生PWM信号用于对电机的控制。数据处理过程如图2所示。

图2 数据处理框图

在软件中主要定义了以下函数：

⑴小车角度计算函数，根据MPU6050采集到加速度与角速度计算出小车电机的角度，这里可以直接调用MPU6050输出的数据，也可以自行使用一些滤波算法进行数据融合。

⑵小车直立控制函数，根据小车角度和角速度计算车模电机的控制量。

⑶小车速度控制函数，根据小车采集到的电机转速和速度设定值，计算电机的控制量。

⑷方向控制函数，根据车模采集到的左右两个编码盘的数值计算出角度控制的量。

⑸电机输出量汇集函数，根据前面的直立控制、速度控制和方向控制所得到的控制量进行叠加，分别得到左右两个电极的输出电压控制量。对叠加后的输出量进行饱和处理。

⑺电机PWM输出计算函数，根据左右两个电极的输出控制量的正负极性，叠加上一个小的死区数值，克服车模机械静态摩擦力。

⑺PWM输出函数，根据两个电机的输出量，计算出PWM控制寄存器的数值，设置四个PWM控制寄存器的数值。

5　总结

本文主要论述了双轮自平衡小车控制系统的设计过程。控制器采用STC12C5A60S2芯片，采用MPU6050芯片为姿态传感器，应用了简单的卡尔曼滤波与PID控制算法。在调试中逐步测定各个微分、比例、积分环节中的系数值，实现了双轮自平衡小车的动态平衡与运动控制。

参考文献

［1］ 赵杰，王晓宇等.基于 UKF 的两轮自平衡机器人姿态最优估计研究［J］.机器人. 2006： （11），605—609.

［2］ 王艳秋.自动控制原理［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［3］ 谭浩强.C 程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2005．

［4］ 秦永元，张洪钺.卡尔曼滤波与组合导航原理［M］.西安：西北工业大学出版社，1998.

*通讯作者：刘寅生