基于MPU6050的平衡車設(shè)計

侯立業(yè) 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

基于MPU6050的平衡車設(shè)計

侯立業(yè) 劉闊 甄廣航 耿欣 李姿 沈陽工學(xué)院信息學(xué)院

平衡車雖然是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，但其卻是一種靜不穩(wěn)定的系統(tǒng)。有些類似于倒立擺與航天領(lǐng)域中飛機空氣動力學(xué)平衡問題。而平衡車又是種可控制的系統(tǒng)。所以說只要對系統(tǒng)加以適當?shù)目刂凭涂梢允蛊溥_到平衡。本文通過基于MPU6050的平衡車設(shè)計及筆者淺談采用適當?shù)姆答伩刂茖⒃鹊拈_環(huán)穩(wěn)定度低的系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)加以分析比較，最終將平衡車控制系統(tǒng)的速度、角速度、角度、等變量趨于我們想要的穩(wěn)定值。

PID控制 陀螺儀 平衡車系統(tǒng) STM32F103

平衡車，是典型的靜不穩(wěn)定系統(tǒng)。從學(xué)術(shù)上說，其涉及到自動控制的多種控制方法，前饋調(diào)節(jié)、串級控制、模糊魯棒性的分析等問題，是各學(xué)科各領(lǐng)域的交叉系統(tǒng)值得學(xué)習(xí)與探討。而在日常生活中，根據(jù)平衡車系統(tǒng)制作的產(chǎn)品各式各類，廣泛用于安保、服務(wù)、助老、以及汽車和航空領(lǐng)域；同時還具有使用清潔能源、節(jié)能、低排量、環(huán)保、便于攜帶等優(yōu)勢。也間接解決了交通、清潔能源匱乏、保護環(huán)境的壓力問題。對于現(xiàn)今市面上的平衡車，精度、速度和與人交互反饋的要求不斷升高。故此，筆者通過基于MPU6050的平衡車控制系統(tǒng)談一談這些問題。

1 基于MPU6050的平衡車設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)采用以STM32F103C8T6為核心的最小系統(tǒng)；STM32F103C8T6是一款32位高集成度、高運算速度、多模塊、低功耗、體積小的計算機芯片，其價格便宜，開發(fā)程度較高，是這次設(shè)計選擇的原因。

在動力電機選擇方面，采用DC有刷電機。其價格便宜，機械特性較硬，調(diào)速范圍大且較平滑，符合本次選擇。與之對應(yīng)的電機驅(qū)動方面，筆者選用TB6612FNG作為主芯片。TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于MOSFET的H橋集成電路，TB6612FNG效率高于晶體管H橋驅(qū)動器。而相比常用L293D和L298N每通道平均600mA的驅(qū)動電流和1．2A的脈沖峰值電流，它的輸出負載能力提高了一倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續(xù)流電路，它無需外加散熱片，外圍電路非常簡單。

圖1 平衡車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件設(shè)計

兩輪自平衡車屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此其實現(xiàn)的平衡是一種動態(tài)平衡。在遇到外界干擾如何快速恢復(fù)，保持自平衡等問題是控制算法需要考慮的問題。傳統(tǒng)的PID控制在各類工業(yè)場合有著廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足兩輪自平衡車的控制系統(tǒng)要求。為了能夠快速穩(wěn)定的對小車速度進行控制，本系統(tǒng)加入了編碼器作為速度反饋環(huán)節(jié)，形成了速度的閉環(huán)控制。而在系統(tǒng)的濾波方式，經(jīng)過各類比較和總結(jié)優(yōu)缺點采用卡爾曼最優(yōu)信息處理方式濾波系統(tǒng)采用PID控制作為平衡車速度控制策略。其輸入為車速的偏差，而輸出為傾角，通過平衡控制達到控制車速平衡的目的。

2 總結(jié)

本設(shè)計主要研究兩輪自平衡小車的設(shè)計與實現(xiàn)。通過相應(yīng)硬件與軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了兩輪自平衡小車的動態(tài)平衡與運動控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以32位單片機STM32F103C8T6為控制核心，采用壓電陀螺儀MPU6050構(gòu)成了慣性姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過H橋電機驅(qū)動及旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)了直流電機的閉環(huán)調(diào)速，最終實現(xiàn)了兩輪自平衡車的姿態(tài)檢測與平衡控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計上比較了各類濾波器優(yōu)缺點，結(jié)合本系統(tǒng)硬件構(gòu)架設(shè)計了以卡爾曼濾波器為核心的數(shù)據(jù)融合算法。通過卡爾曼濾波器將陀螺儀與加速度計的輸出融合為準確的傾角與角速度輸出，為系統(tǒng)的控制提供了有力保障。

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侯立業(yè)、劉闊、甄廣航：沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院自動化專業(yè)學(xué)生，研究方向機器人技術(shù)；耿欣：（1981-），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士研究生，研究方向機器人技術(shù)；李姿（通訊作者）：（1982-），女，遼寧沈陽人，講師，碩士研究生，現(xiàn)從事電氣工程及其自動化方向理論課程講授。