基于STM32的两轮自平衡车控制系统设计.pdf
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1、2023 年第 8 期12计算机应用信息技术与信息化基于 STM32 的两轮自平衡车控制系统设计俞晨吉1 潘泽庆1 胡海洋1 常 波1YU Chenji PAN Zeqing HU Haiyang CHANG Bo 摘要 针对目前平衡车控制系统投入成本高、运行不稳定等问题,设计了一种基于 STM32F103C8T6 为控制核心的两轮自平衡车,首先,利用车载陀螺仪和 MPU6050 传感器检测两轮自平衡车的倾角和加速度,然后通过 Kalman 滤波算法数据处理融合后得到最优倾角和加速度。最后,通过比例积分微分控制器(proportional integral derivative,PID)控制算
2、法将控制量经过放大环节放大后传递给电机,电机运作消除位置和速度偏差保证小车平衡,从而实现了整车的稳定控制。实验结果表明,所设计的平衡车控制系统,投入成本低,工作性能良好,稳定运行。关键词 平衡车;PID 控制;Kalman 滤波;数据融合;STM32doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.08.0031.淮阴工学院电子信息工程学院 江苏淮安 223003 基金项目 2022 年江苏省大学生实践创新项目“基于视觉的无人车导航控制系统设计”(202211049276XJ)0 引言目前,在企业制造工艺日益提升、企业智能化工艺需求日益提高的条件下,智能汽车及其在智能汽车平台
3、上发展起来的技术已经成为智能化的管理、柔性的管理等方面的关键设备。当今世界上很多发达国家都在积极开展智能汽车的研制与发展工作。对智能化产品需求日益提高的条件下,智慧汽车及其在智慧汽车基础上发展起来的产品将成为智能化的交通运输、柔性企业管理等方面的关键设备。当今世界上很多发达国家都在积极开展对智能汽车的科学研究与发展工作。平衡车是具有自主性、适应性与交互性为一身的新型技术,它结合了自动控制,人工智能、机械工程、大数据应用、传感器技术和计算机科学等多门领域的最新成果。两轮自平衡车通过姿态控制传感器测量的角度和角加速度数据,然后通过数据处理得到小车当前的倾角,接着对位置解算结果和微分跟踪器结果计算偏
4、差,控制器依据 PID 参数运算得到控制量脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM),最后将控制量 PWM 经过放大环节放大后传递给电机,电机运作消除位置和速度偏差保证小车平衡,从而实现了整车控制系统。1 系统总体设计方案本设计的平衡车物理模型与生活中的一阶倒立摆模型相似,其在静止时是无法保持平衡的,当车倾斜时,电机要及时转动且位移方向与倾斜方向相同。工作原理如图 1。图 1 平衡车平衡过程物理结构模型即当与车身方向垂直时,轮子处于静态,而当车身向右倾斜,轮子会向右加速运动,当车身向左倾斜时,轮子也向左加速运动,这样抵消了车身的倾角,就能够保证对车轮的平衡控制。两轮自
5、平衡车硬件系统主要由以下五部分组成:STM32主控制器、姿态控制传感器模块、带编码器的直流电机、电机驱动模块、OLED 显示模块。系统总体方案设计框图如图2 所示。图 2 系统总体方案设计框图小车使用 MPU6050 读取小车当前在三个方向上的倾角和角速度作为输入量,此外利用霍尔传感器得到车轮转速作为反馈信息。小车左右两个轮子的转速和转向作为控制量,实现前后运动和差速转向。整个控制过程通过串级 PID 来实现,利用 TB6612 芯片调节 PWM 输出的占空比以改变电机转速。最后通过控制参数的调整和优化,实现小车的平衡稳定运行。2023 年第 8 期13计算机应用信息技术与信息化2 硬件设计本
6、系统硬件电路设计主要包括姿态控制传感器模块设计、电机驱动模块设计、车速测量模块设计和 OLED 显示模块设计。2.1 姿态控制传感器模块选择 MPU6050 作为姿态控制传感器模块,MPU6050 是一个 6 轴运动处理传感器集成了加速度计和陀螺仪模块,内置数据管理平台(data management platform,DMP)以及集成电路总线(inter-integrated circuit,IC)、串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)等通信接口,具有低功耗、高度集成、低成本的优势,MPU6050 模块电路图如图 3 所示。图 3 姿态控制传感器模块
7、电路主要模块引脚 SCL 连接 MCU 的 PB6,SDL 连接 PB7,AD0 接地,INT 连接 PB5。通过 MCU 的 IO 口模拟 IC 通信来传输数据,MCU 通过这两个接口控制 MPU6050,INT 是中断触发接口,传感器每成功捕捉到一次数据,INT 引脚的电平会拉低触发外部中断。利用姿态控制传感器内置的 DMP功能,能够便捷的获取姿态信息,这里主要通过中断引脚来读取角加速度和角速度的原始数值,通过一定的比例关系转换成实际数值,再用卡尔曼滤波算法将角加速度和角速度融合即可获得小车当前的姿态倾角。2.2 电机驱动模块由于 MCU 的 I/O 口驱动电流小,带载能力有限,直接驱动电
8、机能力不足,故加入电机驱动系统放大功率来控制直流电机,电机驱动电路图如图 4 所示。采用的 TB6612FNG电机驱动模块,这是一款微型电机驱动,可接入两个电机。模块的 AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 引脚连接 MCU 的PB12、PB13、PB14、PB15I/O 口,这四个 I/O 口通过置 1 或者置零电平信号来控制电机的旋转方向。PWMA、PWMB 连接 MCU 的 PA11、PA8、PWMA、PWMB 分别为两个电机的使能端,可通过 PWM 调速。图 4 电机驱动电路图2.3 车速测量模块由于速度环控制要求电机必须是转速闭环,故本设计采用的是带有霍尔编码器的电机,编码器供电是
9、 5 V 供电,这是一款带有 13 线增量式输出的霍尔编码器。电机每转一圈,就输出 13 个脉冲信号,电机编码器有 AB 相输出,STM32的定时器的编码器模式可以对两个相位的信号进行脉冲计数,通过相位关系,可以实现向上计数和向下计数,所以不仅可以测速,还可以辨别转向。编码器电机接口电路如图 5 所示,图中 1、6 为 M1 电机电源线,3、4 为编码器AB 相,5 为编码器电源 VCC、2 为编码器 GND,将一路正交解码 A、B 相接 PA0、PA1,另外一路接 PB6、PB7,同时需要把 1、6 电机电源线连接电机驱动 TB6612FNG 相对应的接口。图 5 电机编码器接口电路图2.4
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