基于STM32的两轮平衡车设计

河北农业大学 于浩 韩宇航 辛妍贝 李磊

1 制作方案

1.1 比较与选择

1.1.1 单片机型号选择

平衡车采用STM32F10C8T6单片机，具有高达72MHz的工作频率，处理速度快，可以满足平衡车100Hz的调整频率，具有成熟的开发技术，使用广泛，抗干扰能力强，价格低廉，性价比较高。

1.1.2 电机型号选择

平衡车采用12V挂载霍尔原理的编码器电机，具有大扭矩、小内阻、响应速度快、使用寿命长等特点。

1.1.3 驱动选择

平衡车选择使用TB6612FNG型号驱动，该驱动具有高达100KHz的反应速度，可以满足平衡车PWM波0～7200的驱动范围，对车可以进行微小调整，并且具有内耗小、输出功率大的特点。

1.1.4 显示模块选择

使用OLED屏幕作为显示模块，功耗低，采用了SPIO的通讯方式，具有较快反应速度，刷新频率较高，实时显示平衡车各个部分的运行状况。

1.1.5 电源选择

平衡车选用流行的可充电锂电池进行供电，输出功率可达36W，2200mah的容量可保证平衡车的长时间工作，并且具有高达2000次的充电次数，可随时更换。

1.1.6 通讯模块选择

通讯模块选择HC-05蓝牙模块，可接收来自手机蓝牙的控制或者由遥控器控制，具有配置简单、抗干扰能力强、技术成熟、使用广泛、低功耗等特点。

1.1.7 陀螺仪的选择

作为稳定器，陀螺仪在平衡车能够两轮直立行走中起着尤为重要的作用。陀螺仪模块，通过IIC通讯将平衡车的三个维度上的角速度和角加速度，传输到单片机，并通过内部定时器200Hz的频率进而来改变IINT引脚的电平，触发单片机使之中断，进而对平衡车进行姿态调整。选择量程大，测量精度高，采集频率高，PCB的布局都会提高MPU6050的测量准度。

1.1.8 电路稳压设计

选择LM2596T-5V和AMS1117-3.3V，LM2596-5V满足平衡车低压侧传感器通讯模块的使用电压，输出电流波形平缓，不易因负极电流回流产生干扰，为AMS1117-3.3V提供了平滑的5V电流，AMS1117-3.3V负责给单片机、MPU6050、OLED供电，最高500mA的输出能力，足以满足三个部分的取电需要。附：PCB设计图。

2 设计思路及原理

两轮直立平衡车综合运用了两轮同轴、独立驱动、悬架结构和倒立摆模型等自平衡原理，通过STM32单片机对MUP6050传输的信息进行中断的触发及姿态调整。是一种处在微处理器控制下的智能平衡车。整车由地盘、转向装置、控制装置、动力装置组成。

3 理论分析及程序设计

3.1 算法使用

3.1.1 卡尔曼滤波

卡尔曼率波可以解决传感器测量精度不够的问题，实现对平衡车俯仰角和横滚角的高精度测量。我们建立观测方程，依据加速度计等设备分析计算出的姿态角等数据，另外，在建立状态预测方程中采用陀螺仪所输出的角速度作为数据，与此同时，通过建立卡尔曼率波器进行陀螺仪和加速度两个传感器的数据融合，根据数据特征对平衡车的姿态角进行相应的估算。通过卡尔曼率波对陀螺仪模块反馈的数据进行处理，大大确保了数据的准确性，减小了数据的波动，消除了数据出现的尖峰和低谷。

3.1.2 PID算法

平衡车最基本的就是实现动态平衡，MPU6050设备内置陀螺仪与加速度计，基于单片机的数字系统将PID算法采录为平衡车最主要的算法，目前来看PID是技术最成熟、效果最好、使用范围最广泛的算法之一。在PID算法中，将返回值和给定值进行比例、微分、积分等运算。平衡车中的直立环节和转向环节以及速度环节等都是通过PID算综合调控。能够实现PID闭环控制将成为小车进行恒定平稳的功能运转的前提，一般情况下，都是在通过调试直立环节之后，对速度环节进行调试，最终对转向环节进行调控。

3.2 程序设计

程序包括几个部分：OLED初始程序、单片机定时器编码器模式初始程序、单片机定时器输出PWM初始程序、蓝牙模块初始程序、MPU6050陀螺仪初始程序、电机驱动初始程序、单片机外部中断初始程序等各个硬件部分的初始化进程。

底层代码使用ST公司推出的CubeMX进行编写，使用流行的Hal库进行编写，代码可移植性比基础库强，可读性较高，极大地节约了底层代码的编写时间，构建底层代码结束后，参照网上CSDN等诸多资料，开始根据自己的编译环境进行控制部分的编程。

4 系统结构设计

4.1 基本组成

平衡车机械构造自上而下分为三部分，分别为平台、控制层、电机驱动层。最上部分用于承重和OLED屏的放置，有效观察平衡车各部分运转情况，控制层主要由STM32单片机和MPU6050等组成的核心主控电路。用于姿态数据的采集和处理运算，以及系统的协调控制。电机层是平衡车动力来源，由供电电路和电机控制电路组成，与控制层保持通讯，确保车体平衡。

5 总结

本文提出了一种平衡车设计构造方案。以STM32单片机为控制核心，通过MPU6050对姿态数据的计算和以PID算法作为核心的系统软件控制算法构成了整体样机。通过实验检测，能够实现转向、直立等姿态。这种平衡车无论是硬件还是软件都是可靠并有效的。实现了两轮平衡车的动态平衡与运动控制。

附：PCB设计图