兩輪自平衡小車畢業(yè)設(shè)計(jì)

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-CAL-本頁僅作為文檔封面，使用請(qǐng)直接刪除兩輪自平衡小車畢業(yè)設(shè)計(jì)04161120(總24頁)PAGE兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)摘要最近這幾年來，自平衡電動(dòng)車的研發(fā)與商用獲得了快速發(fā)展。自平衡車具有體積小，運(yùn)動(dòng)十分靈活，便利，節(jié)能等特點(diǎn)。本文提出了一種雙輪自平衡小車的設(shè)計(jì)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了雙輪雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；控制主要采用的是反饋調(diào)節(jié)，為了使車體更好的平衡，使用了PID調(diào)節(jié)方式；硬件上采用陀螺儀GY521MPU-6050來采集車體的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角加速度，同時(shí)采用了加速度傳感器來間接測(cè)量車體旋轉(zhuǎn)角度。采用意法半導(dǎo)體ST公司的低功耗控制器芯片stm32作為主控，采集上述傳感器信息進(jìn)行濾波，分析等操作后進(jìn)而控制馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)平衡。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)功能部件之間協(xié)調(diào)工作，在適度的干擾情形下仍然能夠保持平衡。同時(shí)，也可以使用手機(jī)上的APP通過藍(lán)牙與小車通信控制小車的前進(jìn)和后退以及轉(zhuǎn)彎。關(guān)鍵詞：自平衡小車陀螺儀傳感器濾波APPDesignofTwo-WheelSelf-BalanceVehicleAbstractInthelastfewyears,withthedevelopmentofcommercialselfbalancingelectricvehiclewasdevelopedrapidly.Selfbalancingvehiclehastheadvantagesofsmallvolume,themovementisveryflexible,convenient,energysavingetc..Thispaperpresentsatwowheeledselfbalancingrobotdesign,mechanicalstructureadoptsdoublemotordrive;controlledmainlybythefeedbackregulation,inordertomakethebalanceofthebodybetter,withthePIDregulation;hardwareusinggyroscopeGY521mpu-6050tocollecttherotationangleofthecarbodyandtherotationangleacceleration.Atthesametime,accelerationsensortomeasureindirectlybodyrotationangle.St,thelowpowerconsumptioncontrollerSTM32chipusedasthemaincontrol,collectingthesensorinformationfiltering,analysisbackwardandcontrolmotordrive,soastoachievecloseloopfeedbackregulation,therealizationofthecarautomaticbalance.Systemdesign,debuggingiscompleted,thecoordinationbetweenthevariousfunctionalcomponentscanbeachieved,inthecaseofmoderateinterferencecanstillmaintainabalance.Atthesametime,youcanalsousetheAPPonthemobilephonewiththecartocontrolthecar'sforwardandbackwardandturning.KeyWords:SelfbalancingcargyroscopesensorfilterAPP目錄301621.緒論 115533研究背景與意義 19705自平衡小車的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 132188整體構(gòu)思 15349姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 210227控制算法 22013本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容 229903論文章節(jié)安排 3164072.系統(tǒng)原理分析 416210控制系統(tǒng)要求分析 46169平衡控制原理分析 423884自平衡小車數(shù)學(xué)模型 526189兩輪自平衡小車受力分析 511249PID控制器設(shè)計(jì) 714779PID控制器原理 712842PID控制器設(shè)計(jì) 8270493.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 83638硬件電路整體框架： 830496系統(tǒng)運(yùn)作流程介紹： 920893下面分各個(gè)部分進(jìn)行介紹： 930627電源供電部分： 917802主控制器部分： 915007陀螺儀傳感器部分： 118950馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路: 1210076測(cè)速部分： 1225948藍(lán)牙通信部分：ZK-07 1332631本章小結(jié) 14214444.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1421038軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 1431592系統(tǒng)初始化過程 153845模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD）初始化設(shè)置 1528736通用串行通信USART初始化 1523176光柵法測(cè)速模塊初始化 152873平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn) 167739兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制 17232725.總結(jié)與展望 1821753總結(jié) 1825324展望 1824397參考文獻(xiàn) 1926473附錄 201.緒論研究背景與意義隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，最近這些年來，移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新日新月異，人們的生活也越來越離不開各式各樣的機(jī)器人。小到家里使用的掃地機(jī)器人，全自動(dòng)洗衣機(jī)，生產(chǎn)線上的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)，以及現(xiàn)在炙手可熱的無人駕駛汽車。這些都得益于移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人的使用領(lǐng)域愈來愈多，以及機(jī)器人行業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)也越來越成熟。本文提出的自平衡車就是眾多機(jī)器人中的一種。由于只有兩個(gè)輪子，所以體積相對(duì)其他移動(dòng)機(jī)器人可以做的很小，能夠適應(yīng)比較狹窄的空間。同時(shí)，由于采用雙輪驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)起來也十分靈活，甚至可以做到原地旋轉(zhuǎn)。由于其輕便，運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)面廣，節(jié)約能源，環(huán)保等種種優(yōu)點(diǎn)使得它的發(fā)展和應(yīng)用前景非常地廣闊。同時(shí)在理論研究方面，平衡車，作為一個(gè)控制系統(tǒng)，由于重力的存在，自平衡小車原本是不能自主保持站立的，需要依靠對(duì)輪的合適的控制來實(shí)現(xiàn)車身的平衡。通過馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)來控制車輪的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，陀螺儀加速度計(jì)等MEMS傳感器，算法，微控制器以及車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置聯(lián)動(dòng)的協(xié)調(diào)來控制小車的平衡，是一個(gè)集合了傳感器測(cè)量，干擾去除，數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)處理，行為操作與執(zhí)行的多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高，傳感器的數(shù)據(jù)要進(jìn)行濾波和分析后才能作為控制信息。因此對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)要有比較深刻的認(rèn)識(shí)，具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)探究價(jià)值。自平衡小車的設(shè)計(jì)要點(diǎn)整體構(gòu)思平衡車整體設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容有：車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 在小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)該盡可能的保證車體重心在車體的中央，同時(shí)重心盡可能的低，這樣能夠增加車體本身的本征穩(wěn)定性，減輕后面系統(tǒng)算法和調(diào)試的難度。在小車的硬件設(shè)計(jì)上，電源必須要能夠穩(wěn)定的輸出，并且滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)功率的需求。同時(shí)，為了后期方便調(diào)試，應(yīng)該留出一些比如電位器以及程序燒錄的調(diào)試接口，可大大簡化后期調(diào)試過程和節(jié)約大量調(diào)試時(shí)間。為了后期方便更換器件，將主板設(shè)計(jì)成了接插口的方式。在小車的軟件設(shè)計(jì)上，主要的難度在于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的濾波和融合分析以及PID調(diào)試上。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)雙輪自平衡小車通過陀螺儀GY521MPU-6050，加速度傳感器，stm32控制器，以及雙輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了閉環(huán)控制，而當(dāng)前姿態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)則是反饋源，如同人的眼睛，耳朵等器官，是環(huán)境感知的入口。通過陀螺儀GY521MPU-6050可以直接檢測(cè)到當(dāng)前車身的角速度以及角加速度；同時(shí)由于重力會(huì)在小車車身傾斜的角度上產(chǎn)生一個(gè)分量，由此借助于加速度傳感器測(cè)出該分量，從而也就能夠間接的得出自平衡小車的車身傾斜角度。在陀螺儀傳感器和加速度傳感器的選用上面，由于是用于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，所以對(duì)它的實(shí)時(shí)性的要求比較高。另外，靈敏度和準(zhǔn)確性也是比較重要的參考因素。綜合考慮下來，本方案陀螺儀傳感器選用的是MPU-6050，加速度傳感器選用的是雖然有了上述傳感器可以用來測(cè)出自平衡小車車體的當(dāng)前姿態(tài)，但是由于慣性傳感器自身的一些特性，所測(cè)的值會(huì)受外界環(huán)境的溫度、震動(dòng)等影響，繼而產(chǎn)生不同程度的誤差與噪聲。所以需要在采集傳感器數(shù)據(jù)后，在軟件中采用一些算法對(duì)這些傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析二次處理，同時(shí)對(duì)陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析后，再計(jì)算出當(dāng)前小車的姿態(tài)，此時(shí)的結(jié)果將更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定?？刂扑惴ㄗ云胶庑≤囉捎谥亓υ蜃陨頉]法保持平衡，需要根據(jù)反饋來調(diào)整自身的狀態(tài)達(dá)到平衡?？刂葡到y(tǒng)中陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器，stm32微控制器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了閉環(huán)的控制系統(tǒng)。加速度傳感器，陀螺儀GY521MPU-6050傳感器采集當(dāng)前自平衡小車姿態(tài)，微控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分析，進(jìn)而控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，調(diào)整自平衡小車當(dāng)前姿態(tài)。控制算法采用了工業(yè)中常用的反饋調(diào)節(jié)算法:PID。PID算法在工業(yè)控制類的場(chǎng)合中有著廣泛的應(yīng)用，在應(yīng)用中充分驗(yàn)證了算法的可行性可優(yōu)越性。本文主要研究目標(biāo)與內(nèi)容本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一種雙輪的自平衡車，在適度的環(huán)境不利因素下也能夠保持自主站立。同時(shí)也能夠在Android手機(jī)端的App通過藍(lán)牙控制小車前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎。在設(shè)計(jì)的過程中探究了陀螺儀傳感器和加速度傳感器的互補(bǔ)特性，并用融合算法將兩者所測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行分析，獲得了更為準(zhǔn)確的車身姿態(tài)。設(shè)計(jì)具體包括：(1)車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)：包括車輪驅(qū)動(dòng)，重心調(diào)整，傳感器安裝，為后期開發(fā)提供良好的物理基礎(chǔ)；(2)小車硬件電路：電源必須要能夠穩(wěn)定的輸出，并且滿足馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)功率的需求。馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)十分重要，它是能夠及時(shí)調(diào)整小車姿態(tài)的關(guān)鍵因素；同時(shí)，為了后期方便調(diào)試，留出了一些比如電位器以及程序燒錄的調(diào)試接口，可大大簡化后期調(diào)試過程和節(jié)約大量調(diào)試時(shí)間。為了后期方便更換器件，將主板設(shè)計(jì)成了接插口的方式。(3)小車軟件算法：通過陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器檢測(cè)當(dāng)前小車姿態(tài)數(shù)據(jù)，微控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過PID算法得出相應(yīng)的控制力度，從而調(diào)節(jié)自平衡小車馬達(dá)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的小車轉(zhuǎn)速，最終修正當(dāng)前小車姿態(tài)。但是，由于陀螺儀GY521MPU-6050傳感器所測(cè)的角速度和角加速度以及加速度傳感器所測(cè)的加速度會(huì)受環(huán)境噪聲的影響，角速度只在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，而加速度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的白噪聲十分嚴(yán)重，因此最好采用兩者的互補(bǔ)特性來設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器來算出穩(wěn)定準(zhǔn)確地傳感器數(shù)據(jù)。(4)PID調(diào)節(jié)算法：系統(tǒng)分為兩路閉環(huán)控制：一路是自平衡小車的傾斜角度的閉環(huán)控制，用來保持車體平衡；另一路是自平衡小車的速度閉環(huán)控制，用來維持車體在一個(gè)指定的速度運(yùn)動(dòng)。2.系統(tǒng)原理分析控制系統(tǒng)要求分析根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，自平衡小車能夠自主保持平衡，并且能夠抵抗一定程度的外部環(huán)境的干擾。而且能夠在Android手機(jī)端App的控制下，實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)，向后運(yùn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。結(jié)合系統(tǒng)分析可以知道，維持自平衡小車站立和前后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力都來自于自平衡小車的兩個(gè)車輪，而車輪是由兩個(gè)直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。所以，可以將自平衡小車作為一個(gè)調(diào)控對(duì)象，自平衡小車的兩個(gè)車輪的作為控制系統(tǒng)的控制量。整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分：(1)自平衡小車的站立控制：小車的傾斜角度作為輸入?yún)?shù)，通過控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來保持小車的自平衡。(2)自平衡小車的速率控制：在能夠自主站立的基礎(chǔ)上，通過改變自平衡小車的傾斜角度來完成對(duì)車體運(yùn)動(dòng)速率的調(diào)節(jié)，其實(shí)仍是經(jīng)過對(duì)馬達(dá)的調(diào)控來完成小車車體運(yùn)動(dòng)速率的修改。(3)自平衡小車轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)自平衡小車兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成差速從而實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。平衡控制原理分析維持小車自主站立的直接靈感來自于我們的平時(shí)經(jīng)歷。人可以通過控制身體以及手的移動(dòng)方向和速度，來保持手指尖撐住的直桿屹立不倒。在保持直桿平衡的過程中，人需要完成兩個(gè)操作：一是人眼可以實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地觀測(cè)到直桿當(dāng)前的姿態(tài)，二是手指能夠根據(jù)當(dāng)前直桿的姿態(tài)來迅速調(diào)整自身位置和速度。這實(shí)際上就是本方案中的平衡車站立閉環(huán)負(fù)反饋控制。圖2-1維持直桿站立的負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)自平衡小車的自主站立也是經(jīng)過負(fù)反饋的調(diào)節(jié)來完成的，與在指尖維持直桿站立原理基本一致。由于車體只有兩個(gè)車輪與地面接觸，自身穩(wěn)定能力極差，在重力的作用下極容易傾倒。小車上的放置的陀螺儀GY521MPU-6050傳感器和加速度傳感器能夠?qū)π≤嚨漠?dāng)前姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，微控制器分析后控制車輪的旋轉(zhuǎn)，抵消傾斜力矩則可以達(dá)到維持小車平衡的目的。如圖2-2所示。圖2-2通過車輪旋轉(zhuǎn)保持小車平衡自平衡小車數(shù)學(xué)模型兩輪自平衡小車受力分析為了更好地實(shí)現(xiàn)小車的平衡，需要準(zhǔn)確地得出小車當(dāng)前姿態(tài)與馬達(dá)輸出之間的數(shù)學(xué)模型。重力環(huán)境下繩索掛著物體可以被抽象成為理想的倒立擺模型，本文中的兩輪自平衡車可以被看做為倒立擺模型來進(jìn)行分析，如圖2-3所示。圖2-3倒立擺模型對(duì)單擺進(jìn)行如下的受力分析如下圖所示。圖2-4單擺受力分析當(dāng)重物偏離中心的平衡位置后，就會(huì)受到重力與線的張力的合作用力，迫使重物回到中心處。這股合力被稱為回復(fù)力，它的值為：（式2-1）停止的倒立擺受力情況如下，如圖2-5所示。圖2-5倒立擺受力分析圖由該受力分析可知，其回復(fù)力大小為：（式2-2）對(duì)于處于平衡位置的單擺而言，當(dāng)它離開中心位置時(shí)，它所受的合力與它的位移相反，所以合力能夠驅(qū)使它回到原處；但是對(duì)于倒立擺，當(dāng)它離開中心位置時(shí)，所受到的合力與位移卻剛好是同向的，所以此時(shí)會(huì)加速遠(yuǎn)離中心位置，最終傾倒。通過判斷可以知道，要使倒立擺能夠有與偏離方向相反的回復(fù)力，則必須施加另一種力與偏移方向相反，從而使倒立擺所受合力與偏移方向相反，也即回復(fù)力總是指向中心位置，達(dá)到能夠平衡的目的。通過調(diào)節(jié)自平衡小車底部車輪轉(zhuǎn)速，使其做加速運(yùn)動(dòng)。在此情形下再來分析倒立擺的受力情況，如下圖2-6所示。圖2-6非慣性系中的倒立擺受力分析由于自平衡小車車輪做加速運(yùn)動(dòng)，倒立擺會(huì)受到慣性力。設(shè)車輪運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致倒立擺產(chǎn)生的加速度的值為α.若以地面作為參考系，可以得知倒立擺受到的慣性力為：（式2-3）所以，倒立擺受到的合力為：（式2-4）在實(shí)際控制系統(tǒng)當(dāng)中，偏離角度θ很小，可以對(duì)其進(jìn)行簡化處理。系統(tǒng)中小車加速度α與偏離角度θ為正比關(guān)系，令比例系數(shù)為，則式2-4可變換為：（式2-5）則小車的車輪的加速度應(yīng)該為：（式2-7）式中為傾斜角度，為傾斜角速度，、為比例系數(shù)。PID控制器設(shè)計(jì)PID控制器原理反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般包含三個(gè)環(huán)節(jié)：檢測(cè)，比較和輸出。檢測(cè)的值與預(yù)期值相比較，根據(jù)誤差量來控制輸出糾正系統(tǒng)偏量。PID控制器是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的一種反饋控制系統(tǒng)，在這里十分適用于小車的平衡反饋控制。PID由比例控制，積分控制，線性控制三個(gè)部分線性疊加而成。PID調(diào)節(jié)具有可靠性好，算法簡單，穩(wěn)定性高，調(diào)試起來簡單很多優(yōu)點(diǎn)。因此PID控制器自被采用以來，，在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。PID控制器由比例控制單元（P）、積分控制單元（I）和微分控制單元（D）三個(gè)部分組成。它的輸入e(t）與輸出u(t）的模型為：(式2-11)其中為比例控制的系數(shù)參數(shù)；為積分的時(shí)間固定參數(shù)；為微分時(shí)間的固定參數(shù)。PID控制器設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)中，與角度成比例的控制量采用比例控制，與角速度成比例的控制量采用微分控制，因而自平衡小車在采用PID控制模型胡的輸出方程可寫為：(式2-14)式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路整體框架：硬件電路是整個(gè)系統(tǒng)可行性和可靠性的基礎(chǔ)。既要能夠滿足需求，也要能夠穩(wěn)定，高效的工作。系統(tǒng)硬件框架如下：系統(tǒng)運(yùn)作流程介紹：電源供電部分給各個(gè)器件按對(duì)應(yīng)所需電壓進(jìn)行供電，陀螺儀GY521MPU-6050和加速度傳感器采集小車當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)通過IIC接口發(fā)送給主控STM32F103RB，主控對(duì)數(shù)據(jù)分析后作出相應(yīng)反應(yīng)控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速修正小車姿態(tài)。馬達(dá)測(cè)速部分將所測(cè)速度反饋給主控制器STM32F103RB，主控對(duì)數(shù)據(jù)分析后作出相應(yīng)反應(yīng)控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速修正小車速度與期望值一致。同時(shí)，主控STM32F103RB也可接收從手機(jī)端APP通過藍(lán)牙發(fā)送過來的指令，進(jìn)而根據(jù)指令控制小車作出相應(yīng)操作。下面分各個(gè)部分進(jìn)行介紹：電源供電部分：系統(tǒng)采用航模電池進(jìn)行供電，輸出電壓12V；12V電壓經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LM2940后可輸出5V電壓給藍(lán)牙模塊和陀螺儀GY521MPU-6050供電。5V電壓經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LT1117后可輸出電壓給主控stm32、測(cè)速模塊等供電。主控制器部分：本方案采用的主控制器是意法半導(dǎo)體公司的高性價(jià)比控制器芯片：STM32F103RB。它是一個(gè)32位的處理器，采用的是ARM的thumb精簡指令集，使用低功耗的CORTEX-M3的

32位ARM核心。控制器自身帶有256KByte的flash,和40KByte的SRAM。含有2個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)通用的16位TIMER,一個(gè)PULSE寬度調(diào)制器，多達(dá)2個(gè)IIC串行通信接口，以及2個(gè)SPI串行通信接口，3個(gè)USART串行通信接口，1個(gè)USB傳輸接口和一個(gè)控制器局域網(wǎng)絡(luò)接口。它的供電的電壓為伏~伏，工作的溫度范圍為-40°C到+85°C，而且擁有一些列的低功耗模式，可以極大的減少系統(tǒng)在非工作模式下的功耗。該款控制器一共擁有六十四個(gè)引腳，可以充分支持本方案所需要的各種外設(shè)模塊。既可以使用內(nèi)部時(shí)鐘也可以使用外部時(shí)鐘源，外部的晶振頻率推薦頻率為12兆赫茲。電源供電電壓范圍為伏～伏：電源供電引腳為通用輸入輸出引腳和內(nèi)部的各類器件進(jìn)行供電。

模擬地，模擬供電

電壓范圍為伏～伏：為模數(shù)轉(zhuǎn)換器、RST電路、內(nèi)部時(shí)鐘源和鎖相環(huán)等部分提供電源。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，模擬供電的電壓不能夠小于伏。模擬供電

電壓和模擬地必須分別連接到電源供電電壓和地。

備份電源電壓范圍為

～伏：當(dāng)關(guān)閉電源供電電壓輸入時(shí)，(通過內(nèi)部電源切換器)為實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EXTERN32k赫茲晶振和BKP寄存器進(jìn)行供電。STM32F103RB采用的是可嵌套的VECTORINTERRUPT

，該低功耗控制器嵌入一個(gè)嵌套INTERRUPTVECTOR控制器可以支持不同的優(yōu)先級(jí)中斷進(jìn)入。 緊密耦合的NVIC提供低延遲中斷處理 中斷入口向量表地址直接傳遞到核心 緊密耦合的NVIC核心接口 允許早期處理中斷 處理遲到的高優(yōu)先級(jí)中斷 支持尾鏈 處理器狀態(tài)自動(dòng)保存 中斷入口恢復(fù)中斷出口沒有指令的開銷在本方案中用到了STM32F103RB控制器的如下外設(shè)：內(nèi)部FLASH:用來存儲(chǔ)程序和靜態(tài)數(shù)據(jù)；內(nèi)部SRAM：用來存放程序運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，比如堆，棧等。GPIO:通用串行輸入輸出引腳，用來驅(qū)動(dòng)LED作為指示功能。USART：通用串行通信設(shè)備，用來與藍(lán)牙模塊連接，與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，設(shè)置藍(lán)牙模塊工作方式，接收藍(lán)牙模塊發(fā)來的控制命令。SPI:串行通信設(shè)備，用來與陀螺儀GY521MPU-6050等傳感器進(jìn)行通信，接收傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。AD:模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要用于方便后期功能調(diào)試，通過電位器就可以了修改程序運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，大大簡化開發(fā)步驟和節(jié)約調(diào)試時(shí)長。JTAG:標(biāo)準(zhǔn)芯片調(diào)試接口，主要用來下載程序和調(diào)試程序。主控制器stm32f103RB最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì):本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司32位單片機(jī)stm32f103RB為控制器，其最小系統(tǒng)的電路如圖3-3，主要有控制器供電部分、復(fù)位電路部分、外部時(shí)鐘部分，啟動(dòng)選擇部分。由于控制器內(nèi)部集成了FLASH、SRAM、PWM、SPI、IIC、USART、TIMER、AD等模塊，因此使用起來特別方便。陀螺儀傳感器部分：本方案中采用的陀螺儀傳感器的型號(hào)為MPU-6050，它的內(nèi)部同時(shí)帶有陀螺儀傳感器和加速度傳感器的功能，內(nèi)部還有可自定義進(jìn)行功能拓展的協(xié)處理器。除此之外，還可以利用MPU-6050的IIC通用串行數(shù)據(jù)傳輸接口來連接一個(gè)額外的DIGITAL傳感器，比如溫度傳感器。MPU-6050分別對(duì)它的陀螺儀傳感器和加速度傳感器使用了一個(gè)16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將它的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為可以輸出的數(shù)字信號(hào)量。為了在不同的情形下使用不同的測(cè)量范圍和測(cè)量速度，該SENSOR的檢測(cè)精度和速度是可以通過程序進(jìn)行自主設(shè)置的，陀螺儀傳感器的可測(cè)量范圍為-250dps到+250dps，-500dps到+500dps，-1000dps到+1000dps，-2000dps到+2000dps。加速度計(jì)可測(cè)量范圍為：-2g到+2g，-4g到+4g，-8g到+8g，-16g到+16g。MPU-6050上有1KByte的緩沖區(qū)域，有助于增加系統(tǒng)節(jié)能效率。和所有設(shè)備之間通信采用400K赫茲的IIC接口或者1M赫茲的SPI接口。MPU-6050的供電電源電壓范圍為伏~伏。MPU-6050有一個(gè)可用來編程的中斷體系，可以采用在中斷的引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，狀態(tài)標(biāo)志寄存器可以說明中斷信號(hào)的來源。本方案中采用IIC接口與MPU-6050進(jìn)行通信，IIC硬件連接相對(duì)比較簡單，只需要兩根線（SDA數(shù)據(jù)線、SCL時(shí)鐘線）即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，并且速度也能滿足本方案的需求。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路:本方案采用的驅(qū)動(dòng)電路方案為：文件夾中有電路圖需要截圖使用。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方式IN1IN2IN3IN4調(diào)速PWM信號(hào)調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低//高/反轉(zhuǎn)低高//高/停止低低//高/M2正轉(zhuǎn)//高低/高反轉(zhuǎn)//低高/高停止//低低/高測(cè)速部分：對(duì)于檢測(cè)自平衡小車小車車輪的旋轉(zhuǎn)速率有這下面幾種方案：光反射法。運(yùn)用不相同色彩物體對(duì)光的吸收結(jié)果不同的原理，在馬達(dá)軸上安裝的轉(zhuǎn)盤上繪制一條反光較強(qiáng)的線，然后在同一端用光源照射并采用光-電感應(yīng)器件采樣轉(zhuǎn)盤的反射光，形成PULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長段內(nèi)的PULSE數(shù)量統(tǒng)計(jì)，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率。光柵法。在馬達(dá)軸上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布有扇形槽孔，在轉(zhuǎn)盤的兩端分別放置紅外發(fā)射端和紅外接收端，在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的PULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長內(nèi)的PULSE記錄，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率?；魻栭_關(guān)檢測(cè)法。同樣也是在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸徑上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上同時(shí)安裝一個(gè)帶有磁性的塊狀物體，在它的旋轉(zhuǎn)路徑環(huán)外部安裝一個(gè)霍爾檢測(cè)器件開關(guān)，在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾檢測(cè)器件開關(guān)則可以響應(yīng)定期的電磁信號(hào)，形成PULSE信號(hào)，通過對(duì)單位時(shí)長內(nèi)的PULSE記錄，就可以計(jì)算出馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)的速率。對(duì)于上述三種方案，光束在反射的過程中容易受環(huán)境光的干擾，而第二種方案光柵法相對(duì)于第三種方案霍爾開關(guān)檢測(cè)法實(shí)施起來更為方便。所以本設(shè)計(jì)中采用的測(cè)速方案為光柵法來測(cè)量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。測(cè)速的電路如下：調(diào)試部分ADJTAG：有原理圖需要截圖為了方便調(diào)試，在硬件結(jié)構(gòu)上增加了如下調(diào)試接口：JTAG接口：JTAG是一種標(biāo)準(zhǔn)的芯片調(diào)試接口，一共有20個(gè)引腳。其中主要引腳功能分別如下所述：TRST:芯片復(fù)位的引腳，用來在調(diào)試或者下載程序時(shí)對(duì)相應(yīng)芯片進(jìn)行復(fù)位操作。TDI:JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)通過串行通訊的傳輸引腳。TMS：JTAG的測(cè)試調(diào)試模式的選擇。TCK:JTAG的測(cè)試的時(shí)鐘輸入引腳。TDO:測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過串行通信數(shù)據(jù)輸出的引腳。VCC:電源正極引腳。VSS:電源負(fù)極引腳。將其置于電路板上，主要用于程序的在線下載和調(diào)試，可以極大的加快開發(fā)效率。同時(shí)，也在電路板上放置了4個(gè)電位器調(diào)試接口，可以在程序運(yùn)行時(shí)方便的修改一些系統(tǒng)參數(shù)，而不需要每次重新更改程序，然后下載程序再次上電測(cè)試。這樣也是極大的簡化了調(diào)試環(huán)節(jié)，節(jié)約了開發(fā)時(shí)長。藍(lán)牙通信部分：ZK-07為了更加方便的實(shí)現(xiàn)控制自平衡小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，有如下幾種方案可供選擇：1通過在小車上放置按鍵來控制小車的運(yùn)動(dòng)方式。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)起來十分簡單，但是在操控的時(shí)候十分不便，而且也不夠?qū)崟r(shí)。所以放棄此方案。2通過紅外遙控。在自平衡小車上安裝一個(gè)紅外接收器，在另一端持有一個(gè)紅外發(fā)送裝置，可以實(shí)時(shí)的向自平衡小車發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車靈活的控制。但是紅外的信息發(fā)送和接收必須要求兩端接口方向基本一致，對(duì)于移動(dòng)中的小車來說，顯然不太適合。通過433頻段的電磁波遙控模塊進(jìn)行命令的發(fā)送和接收，此種方案既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，也沒有對(duì)發(fā)送過程中方向的限制，是一種比較好的方案，但是這要求額外制作一個(gè)發(fā)送器。通過手機(jī)的藍(lán)牙與自平衡小車進(jìn)行通信，除了第三種方案的優(yōu)勢(shì)以外，還能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最終選用第四種方案。本方案選用的藍(lán)牙模塊為ZK-07，它是眾多藍(lán)牙透?jìng)髂K中的一種。ZK-07藍(lán)牙模塊可以通過通用串行傳輸U(kuò)SART與各類控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信傳輸過程中，采用AT命令來調(diào)整藍(lán)牙模塊各種參數(shù)，比如通信測(cè)試，修改藍(lán)牙模塊名稱，修改串口傳輸波特率，修改藍(lán)牙配對(duì)密碼等。ZK-07的串口初始

BAUD是9600bps,藍(lán)牙模塊中所有設(shè)置好的參數(shù)在斷電之后依然不會(huì)丟失。通過AT指令對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置之后，就可以發(fā)送命令使藍(lán)牙模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，與手機(jī)端的藍(lán)牙進(jìn)行通信。透?jìng)魇侵?，兩端傳輸?shù)據(jù)時(shí)不用了解中間傳輸?shù)倪^程，實(shí)現(xiàn)所發(fā)即所得。在本方案中，主控芯片通過USARTA1接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，小車上的藍(lán)牙模塊與手機(jī)端的藍(lán)牙配對(duì)成功后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在手機(jī)端給自平衡小車發(fā)送相應(yīng)的命令，小車接收相應(yīng)命令后調(diào)整自身向前行進(jìn)，向后行進(jìn)，以及左右轉(zhuǎn)向等操作。本章小結(jié)本章節(jié)主要說明了系統(tǒng)硬件電路部分的設(shè)計(jì)，包括控制器STM32F103RB最小系統(tǒng)電路，供電部分模塊設(shè)計(jì)，陀螺儀傳感器MPU-6050電路設(shè)計(jì)，加速度計(jì)傳感器電路設(shè)計(jì)，基于H橋的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，光柵法側(cè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速率模塊的設(shè)計(jì)，輔助調(diào)試電位器、JTAG模塊設(shè)計(jì)，藍(lán)牙模塊通信部分模塊設(shè)計(jì)。至此，本設(shè)計(jì)中硬件電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)前面說明了自平衡小車體系的原理部分，建模部分，硬件電路設(shè)計(jì)部分。本章將介紹本設(shè)計(jì)中的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，控制過程的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)是最重要的部分。軟件設(shè)計(jì)主要包括如下內(nèi)容：各類外設(shè)驅(qū)動(dòng)，其中包括USART驅(qū)動(dòng)，IIC驅(qū)動(dòng)，PWM外設(shè)驅(qū)動(dòng)，定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，陀螺儀MPU6050傳感器、加速度傳感器驅(qū)動(dòng)，AD驅(qū)動(dòng)。以及各外設(shè)及模塊的初始化，小車姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以及濾波，小車車輪速度測(cè)量，以及適配本系統(tǒng)的PID算法?？刂葡到y(tǒng)的運(yùn)作流程框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)總體軟件流程圖系統(tǒng)初始化過程軟件系統(tǒng)初始化主要包括如下這幾部分：中斷初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分（AD）、通用串行通信模塊（USART），定時(shí)器（TIMER）及PWM模塊等。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD）初始化設(shè)置為了在后期更好的調(diào)試，利用四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)外提供了四個(gè)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)接口。也就是說，不需要重新修改程序再次下載上電，就可以在程序運(yùn)行中修改系統(tǒng)參數(shù)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。STMF103RB的模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)AD有16個(gè)通道，最高精度可達(dá)12位，單次采樣時(shí)間最短可至微秒。初始化過程如下：通用串行通信USART初始化通用串行通信USART模塊的初始化中主要設(shè)置如下參數(shù)：串口波特率，工作模式，停止位，中斷允許標(biāo)志位，DMA是否開啟，校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。初始化過程如下：光柵法測(cè)速模塊初始化在本設(shè)計(jì)中，通過光柵法來獲取小車速度。光柵接收端的PULSE數(shù)量與自平衡小車移動(dòng)的距離成正比。根據(jù)光柵測(cè)量的PULSE數(shù)量來計(jì)算小車轉(zhuǎn)速有以下兩種方案：在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)光柵產(chǎn)生的PULSE個(gè)數(shù)來計(jì)算小車速率，稱為M法測(cè)速；計(jì)算兩個(gè)相鄰光柵接收PULSE的時(shí)間差來測(cè)量小車速度，稱為T法測(cè)速；在上述兩種測(cè)速方法中，第一套措施用于高速的應(yīng)用效果更好，第二套措施用于低速的應(yīng)用效果更好。在本設(shè)計(jì)中如果采用前者測(cè)速，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生400個(gè)PULSE，高頻的中斷會(huì)影響控制系統(tǒng)的精度，因此本設(shè)計(jì)中采用第一套方法來測(cè)量小車速度。平衡PID控制軟件實(shí)現(xiàn)自平衡小車在采用PID控制模型的輸出方程可寫為：(式2-14)式2-14中，為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，采用的調(diào)節(jié)自平衡小車車速的方法是調(diào)節(jié)小車馬達(dá)電壓，輸出電壓與PWM驅(qū)動(dòng)的占空比成正比。相應(yīng)公式如下：Uout=Kp*angle+Kd*angle_dot(式4-8)式中：Kp、Kd為比例系數(shù)和微分系數(shù)，angle為車身傾角，angle_dot為車身傾斜的角速度。在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自平衡小車偏移角度很小的時(shí)候，馬達(dá)的輸出量很小，但是由于馬達(dá)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要克服一個(gè)靜態(tài)摩擦力，所以在此階段就存在一個(gè)調(diào)節(jié)死區(qū)：PWM有輸出，但是馬達(dá)并沒有旋轉(zhuǎn)。為了克服這種情況，需要對(duì)馬達(dá)的輸出在低輸出區(qū)域增加一個(gè)死區(qū)補(bǔ)償，增加系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。圖4-4馬達(dá)死區(qū)補(bǔ)償有圖4-5自平衡PD控制軟件流程圖兩輪自平衡車的運(yùn)動(dòng)控制車速PID控制程序如下：5.總結(jié)與展望總結(jié)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)歷了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程：自平衡車的自平衡原理探究和論證，整體功能設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及最后的實(shí)物制作和調(diào)試，最終完成本作品。自平衡車的自平衡原理探究和論證主要包含物理模型分析，數(shù)學(xué)建模，PID原理分析部分；整體功能設(shè)計(jì)部分主要包括了功能實(shí)現(xiàn)方案的選擇，各個(gè)功能模塊開發(fā)可行性分析；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括小車機(jī)械主體搭建，整體重心調(diào)整，傳感器裝置的安裝等；硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括電源供應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)，主控制器STM32F103RB最小系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)，兩輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)，藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)，輔助調(diào)試模塊的設(shè)計(jì)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括各類模塊驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，傳感器數(shù)據(jù)的采集和濾波，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速測(cè)量，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制，主控制器以及各外設(shè)的初始化，藍(lán)牙模塊通信的開發(fā)以及PID控制器算法的設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和完善。本方案最終實(shí)現(xiàn)了雙