两轮自平衡车实验平台的设计

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。