自平衡小車設(shè)計報告(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自平衡小車設(shè)計報告摘要:本作品采用STM32單片機作為主控制器，用一個陀螺儀傳感器來檢測車的狀態(tài)，通過TB6612控制小車兩個電機，來使小車保持平衡狀態(tài)，通過手機藍牙與小車上藍牙模塊連接以控制小車運行狀態(tài)。關(guān)鍵字：智能小車；單片機；陀螺儀；藍牙模塊。一、系統(tǒng)完成的功能根據(jù)老師的指導(dǎo)要求，在規(guī)定的時間內(nèi)，由團隊合作完成兩輪自平衡小車的制作，使小車在一定時間內(nèi)能夠自助站立并且自由行走，以及原地轉(zhuǎn)圈，上坡和送高處躍下站立。二、系統(tǒng)總體設(shè)計原理框架圖USART3藍牙模塊STM32TB6612陀螺儀傳感器電機兩路PWMIIC編碼器圖2.1 系統(tǒng)總體框圖三.系統(tǒng)硬件各個組成部分介

2、紹3.1.STM32單片機簡介（stm32rbt6）主控模塊的STM32單片機是控制器的核心部分。該單片機是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機，它的內(nèi)核采用ARM公司最新生產(chǎn)的CortexM3架構(gòu)，最高工作頻率可達72MHz，256K的程序存儲空間、48K的RAM，8個定時器計數(shù)器、兩個看門狗和一個實時時鐘RTC，片上集成通信接口有兩個I2C、3個SPI、5個USART、一個USB、一個CAN、兩個和一個SDIO，并集成有3個ADC和一個DAC，具有80個I0端口。 STM32單片機要求2.03.6V的操作電壓(VDD)，本設(shè)計采用5.0V電源通過移動電源給單片

3、機供電。3.2. 陀螺儀傳感器陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。本設(shè)計選用MPU-6050。MPU-60X0 是全球首例9 軸運動處理傳感器。它集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3 軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其I2C 或SPI 接口輸出一個9 軸的信號（SPI 接口僅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通過其I2C 接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器MPU-60X0 對陀螺儀和加速度計分別用了三個16 位的ADC，將其

4、測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。 一個片上1024 字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 僅MPU-6000 可用）。對于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對寄存器的讀取和中斷可用20MHz 的SPI。 另外，片上還內(nèi)嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)

5、境下僅有±1%變動的振蕩器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN 封裝（無引線方形封裝），可承受最大10000g 的沖擊，并有可編程的低通濾波器。關(guān)于電源，MPU-60X0 可支持VDD 范圍2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050 還有一個VLOGIC 引腳，用來為I2C 輸出提供邏輯電平。VLOGIC 電壓可取1.8±5%或者VDD。 圖3.2.1 陀螺儀外觀圖圖3.2.2 陀螺儀電路圖3.3.電機驅(qū)動 3.3.1.TB6612由于TB6612相對于傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多,體積上也

6、大幅度減少，在額定范圍內(nèi)，芯片基本不發(fā)熱，所以我們設(shè)計的時候選擇了這款芯片。圖3.3.1 TB6612外觀圖3.3.2.PWM原理PWM即脈沖寬度調(diào)制，它是指將輸出信號的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率的方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖7所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。圖3.3.2 PWM波形圖設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax

7、，設(shè)占空比為D=tT,則電機的平均速度為：Vd = Vmax·D (1)式中：Vd表示電機的平均速度；Vmax表示電機全通電時的速度(最大)；D=tT表示占空比。由公式(1)可見，當改變占空比D時，就可以得到不同的電機平均速度，從而達到調(diào)速的目的。3.4藍牙模塊藍牙模塊可以讓原來使用串口的設(shè)備擺脫線纜的束縛在10米范圍內(nèi)實現(xiàn)無線串口通信。使用該模塊無需了解復(fù)雜的藍牙底層協(xié)議，只要簡單的幾個步驟即可享受到無線通信的便捷。藍牙透傳模塊只有4個AT指令，分別是測試通訊，改名稱，改波特率，改配對密碼，AT指令必須從TXD,RXD信號腳設(shè)置，不能通過藍牙信道設(shè)置。發(fā)送AT指令的設(shè)備可以是各種類

8、型的MCU（比如51，avr，pic，msp430，arm等），也可以是電腦通過串口（PC串口接MAX232以后或者USB轉(zhuǎn)串口）發(fā)送。由于HC-06有低功耗，低成本的特性，所以我們選擇了這款芯片。圖3.4 藍牙模塊外觀圖3.5編碼器編碼器是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個

9、位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。四、軟件設(shè)計軟件部分實現(xiàn)的主要功能是：傳感器的數(shù)據(jù)采集、PWM信號的輸出、車?？刂疲喊ㄖ绷⒖刂?，速度控制。軟件流程如下：初始化完成以后，首先進入車模直立檢測子程序。該程序通過讀取陀螺儀傳感器的數(shù)值判斷車模是否處于直立狀態(tài)。在中斷程序中不斷的讀取編碼器數(shù)據(jù)，獲取車模狀態(tài)信息，然后通過讀取的數(shù)據(jù)控制車模。1.藍牙控制程序：if(uart_receive=0x00)Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; /剎車if(uart_receive=0x01

10、)Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; /前進if(uart_receive=0x05)Flag_Qian=0,Flag_Hou=1,Flag_Left=0,Flag_Right=0; /后退else if(uart_receive=0x02|uart_receive=0x03|uart_receive=0x04)Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1; /右轉(zhuǎn)彎else if(uart_receive=0x06|uart_receive=0x07|uart_receive=0x

11、08)Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=1,Flag_Right=0; /左轉(zhuǎn)彎2. 控制程序：直立PD控制：float balance(float angle,float Gyro) static float Bias,angle_i; float balance; Bias=angle-5; angle_i+=angle; balance=p*Bias+d*Gyro+i*angle_i; if(Turn_Off(Angle_Balance)=1) angle_i=0; return balance;速度PI控制：int velocity(int encode

12、r_left,int encoder_right) static int Velocity,Encoder_Least=0,Encoder,Movement; static long Encoder_Integral;if(1=Flag_Qian)Movement=5; else if(1=Flag_Hou) Movement=-5; else Movement=0; Encoder_Least =(encoder_left*0.5+encoder_right*0.5)*0.9; Encoder *= 0.7; Encoder += Encoder_Least*0.3; Encoder_Int

13、egral +=Encoder; Encoder_Integral=Encoder_Integral-Movement; if(Encoder_Integral>15000) Encoder_Integral=15000; if(Encoder_Integral<-15000)Encoder_Integral=-15000; if(Encoder=0) Encoder_Integral=Encoder_Integral*0.9965;if(Encoder=0) Encoder_Integral=0;Velocity=Encoder*vp+Encoder_Integral*vi; if(Turn_Off(Angle_Balance)=1) Encoder_Integral=0; return Velocity;void PID_INIT() p=60; d=0.15; i=0; vp=36; vi=1.2;五、制作困難本作品制作過程中遇到了很多困難。在硬件方面，STM32燒壞好幾個，造成了經(jīng)濟損失，后來經(jīng)過檢查電路和改進，能夠穩(wěn)定安全運行。設(shè)計初期我們試驗L298N作為電機驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)反映過慢，后來改用TB6612，效果非常好。PID參數(shù)的調(diào)試花費了大量的時間。六.總結(jié)自平衡小車制作過程