两轮自平衡小车论文.

2013年全国大学生电子设计竞赛两轮自平衡小车设计作者：杨魏，黄敏杰，夏俊逸2015.7.17摘要本文采用自制的两轮简易小车作为试验平台，以MEMS传感MPU6050为传感器的姿态感知系统，通过离散卡尔曼滤波器对两种传感器的数据进行滤波融合，选用32位单片机STM32F103RB为控制核心处理器，完成对数据的采集处理和车身控制，采用PID控制算法实现小车两轮自平衡。

用蓝牙控制前后运动。

实验结果验证了该系统的性能满足设计要求。

关键词：两轮自平衡；姿态感知；STM32F103RB；卡尔曼滤波；PID控制。

目录1系统方案 (1)1.1 姿态检测模块的论证与选择 (1)1.2 电机驱动模块的论证与选择 (1)2 系统硬件设计 (1)2.1 STM32F103RB 单片机系统 (2)2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍 (2)2.1.2单片机最小系统设计 (3)2.1.3 电源管理模块设计 (4)2.2 姿态检测模块MPU-6050 (5)2.2.1 MPU-6050简介 (5)2.2.3数字运动处理器（DMP） (6)2.3速度检测模块设计 (7)2.3.1编码器介绍 (7)2.3.2 编码器电路设计 (8)2.4 电机驱动模块 (8)2.4.1 L298N简介 (8)2.4.2 L298N特点 (9)3理论分析与计算 (9)3.1 两轮平衡小车数学模型 (9)3.2 PID控制器设计 (10)3.2.1 PID控制器原理 (10)3.2.2 PID控制器设计 (11)3.2.3 PID程序 (12)3.3 基于卡尔曼滤波的数据融合 (13)4 系统软件设计 (15)4.1 系统软件设计框架 (15)4.2 资源模块初始化 (15)4.3 两轮小车姿态信息检测 (16)5测试方案与测试结果 (16)5.1测试方案 (16)5.1.1硬件连接检测 (16)5.1.2小车功能检测 (16)5.2 测试分析与结论 (16)1系统方案本系统主要由姿态检测模块、电机驱动模块、蓝牙模块、红外对管模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 姿态检测模块的论证与选择方案一：ENC-03。

一种普通陀螺仪。

方案二：MPU-6050。

MPU-60X0 是全球首例9轴运动处理传感器。

它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。

扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000可用）。

MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。

综合以上两种种方案，选择方案二。

1.2 电机驱动模块的论证与选择方案一：TB6612FNG。

体积小，但容易坏。

方案二：L298N。

具有信号指示，转数可调，抗干扰能力强，具有过电压和过电流保护，可单独控制两台直流电机，可单独控制一台步进电机。

综合以上三种方案，选择方案二。

2 系统硬件设计本文设计的两轮自平衡小车采用姿态传感器（MPU6050）监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速微控制器STM32F103RB 完成数据融合处理，得到平滑而稳定车体姿态信息，然后驱动电动机产生前进或后退的加速度来控制车体保持平衡，红外线检测障碍物，蓝牙控制前进后退。

结构框图如图。

图 1 系统设计总体结构框图系统硬件主要由STM32F103RB单片机系统、电源模块、姿态检测模块、串口通讯模块、电机驱动模块等组成。

2.1 STM32F103RB 单片机系统本设计中控制平台采用ST 意法半导体的STM32F103RB微控制器，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM CORTEX-M3内核，其最高主频72MHz，在满足平衡控制的调节频率的同时有更多的CPU 资源，工作电压为5 V。

其丰富的内置模块资源可以为姿态检测系统提供12位精度的A/D 转换，同时使用定时器可以产生PWM输出控制电机转速和转向。

2.1.1 STM32F103RB 单片机介绍STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O 端口和联接到两条APB总线的外设。

所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。

一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品提供包括从36脚至100脚的6种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。

下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。

这些丰富的外设配置，使得STM32F103xx产品容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合：●电机驱动和应用控制●医疗和手持设备● PC游戏外设和GPS平台●工业应用：可编程控制器(PLC)、变频器、打印机和扫描仪2.1.2单片机最小系统设计本设计采用STM32F103RB单片机为控制器，最小系统原理图如图3-3所示，主要包括单片机供电、复位电路、时钟电路以及BDM接口电路。

系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟；当检测到外部时钟失效时，它将被隔离，系统将自动地切换到内部的RC振荡器，如果使能了中断，软件可以接收到相应的中断。

同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理(如当一个间接使用的外部振荡器失效时)。

多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)区域。

AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。

图3-3 单片机最小系统及时钟电路原理图单片机的外部复位电路可以使用按钮和电容构成，也可以使用专门的复位芯片。

考虑到产品经济型，本设计中采用了由电阻电容构成的简易复位电路，如图3-5所示。

加电后，由于电容的充电时间，RESET保持低电平，单片机复位；一段时间后，电容电量充满，RESET端输出高电平，此时单片机运行。

手动复位时，按下手动复位按钮，RESET端保持低电平，单片机复位；释放手动复位按钮后，RESET端输出高电平，单片机工作。

图3-5 复位及按键接口电路2.1.3 电源管理模块设计可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。

这样做可以减少各模块之间的相互干扰。

整个系统需要3种电源：● VDD = 2.0～3.6V：VDD引脚为I/O引脚和内部调压器供电。

● VSSA，VDDA = 2.0～3.6V：为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。

使用ADC时，VDDA不得小于2.4V。

VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。

● VBAT = 1.8～3.6V：当关闭VDD时，(通过内部电源切换器)为RTC、外部32kHz振荡器和后备寄存器供电。

图3-6 电源模块电路图2.2 姿态检测模块MPU-6050姿态检测模块能够精确并稳定地检测出当前的车身姿态，这是本设计两轮自平衡小车实现有效控制的关键。

本设计选用MEMS传感MPU6050作为姿态检测传感器。

MPU-6050实物连接图2.2.1 MPU-6050简介MPU-60X0 是全球首例9轴运动处理传感器。

它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。

扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000可用）。

MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。

MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。

为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可一个片上1024 字节的FIFO，有助于降低系统功耗。

和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 仅MPU-6000 可用）。

对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。

另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。

芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。

关于电源，MPU-60X0 可支持VDD 范围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。

另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。

VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。

MPU6050电路图2.2.3数字运动处理器（DMP）DMP就是指MPU6050内部集成的处理单元，可以直接运算出四元数和姿态，而不再需要另外进行数学运算。

DMP的使用大大简化了四轴的代码设计。

DMP是数字运动处理器的缩写，顾名思义mpu6050并不单单是一款传感器，其内部还包含了可以独立完成姿态解算算法的处理单元。

如在设计中使用DMP来实现传感器融合算法优势很明显。

首先invensense 官方提供的姿态解算算法应该比像楼主这样的小白要可靠的多。

其次，由DMP实现姿态解算算法将单片机从算法处理的压力中解放出来，单片机所要做的是等待DMP解算完成后产生的外部中断，在外部中断里去读取姿态解算的结果。

这样单片机有大量的时间来处理诸如电机调速等其他任务，提高了系统的实时性。

DMP从陀螺仪、加速度计以及外接的传感器接收并处理数据，处理结果可以从DMP寄存器读出，或通过FIFO 缓冲。

DMP有权使用MPU的一个外部引脚产生中断。

2.3速度检测模块设计两轮自平衡小车的原理是利用地面对车轮的摩擦力抵消车受到的重力，在本系统的控制环节中有两路闭环控制，即倾角闭环控制以及速度闭环控制。