基于STM32平衡車控制算法的研究

藍東浩　王強　吳司林

摘要：平衡車作為近幾年新出現(xiàn)的代步工具，它的技術還在不斷完善和拓展中。為了單片機更精準對雙輪平衡車的控制，本項目小組提出了基于32位單片機的平衡車控制算法的研究。平衡車的平衡原理是通過對車體自身姿態(tài)的解算，控制共軸平行雙輪的相對獨立運動保持平衡，平衡車控制系統(tǒng)由CPU、陀螺儀、姿態(tài)傳感器、輪轂電機、電機驅動和蓄電池六大部分組成。STM32F103芯片作為最常用的32位單片機芯片，其數(shù)據(jù)處理速度和邏輯運算能力完全能夠勝任平衡車控制算法的要求。

關鍵詞：STM32單片機；平衡車；PID算法；陀螺儀

中圖分類號：TN919.6文獻標識碼：A

雙輪平衡車控制系統(tǒng)是一個集速度信息采集、姿態(tài)信息分析并加以處理控制的復雜系統(tǒng)，在達到車體動態(tài)平衡的同時，還能按照使用者的實時操作完成相應的動作，因此核心處理器應具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和較快的響應速度。

1 平衡算法

平衡車最基本的功能是能夠實現(xiàn)運動的動態(tài)平衡，也就是在啟動后保持直立不倒，平衡車用負反饋實現(xiàn)對車體的平衡控制，當車身在重力方向上發(fā)生角度偏移，陀螺儀傳感器能測出運動的角速度，通過積分算法將得到車體在豎直方向偏移的角度。本算法擬使用MPU6050陀螺儀傳感器。MPU6050是整合性6軸處理器，結合陀螺儀與加速度計，相對于其他方案，完美解決了陀螺儀與加速器存在時間差的問題。該單片機系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，因此采用離散型PID算法，PID算法是平衡車算法的核心算法，也是目前已知的連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、調節(jié)效果最好、使用場合最廣的精準控制算法之一。實際運用中使用靈活，PID算法將給定值與返回值的偏差按比例、積分、微分通過各自的調節(jié)系數(shù)進行函數(shù)運算。PID算法的另一個優(yōu)點是允許比例、積分、微分各自調節(jié)系數(shù)為零。每個系統(tǒng)的電機參數(shù)，驅動電路都不同，因此PID調節(jié)系數(shù)也不同，對于平衡車系統(tǒng)，陀螺儀水平安裝，給定值為陀螺儀的角度初始值，考慮安裝偏差設置補償角。程序：

int PID（float A）

{

Kie=Kie+（A+K）；

Kde=（A+K）Kde；

pwm_num=Kp*（A+K）Kd*（Kde）+ki*（Kie）；

pwm=（int）pwm_num；

return pwm；

}

2 速度控制算法

速度控制分為前進速度控制和轉向速度控制，左右兩輪速度差的大小和傾斜角成正比，當傾斜角增大，相應的速度差也應該越大。因為直立平衡控制中系統(tǒng)把速度控制和轉向控制當作干擾，所以調節(jié)起伏過大將嚴重影響平衡。但平衡車勻速向前運動時不能直接利用傾斜角來判斷速度大小，因為此時不能得出平衡車的偏移角。在平衡車控制系統(tǒng)中速度控制以及轉向控制屬于平衡車控制系統(tǒng)中的輔助控制。平衡車傾斜時，如圖重力正交分解成軸向力F1和向前力F2，輪轂電機在地面以一定的速度v滾動時產(chǎn)生于F2方向相反大小相等的摩擦力f，達到新的動態(tài)平衡。輪轂電機帶有霍爾編碼器，STM32單片機只需采集編碼器即可隨時獲取車輪的轉速，車輪直徑固定不變，可以求出車體速度，再將速度按速度比例加在平衡控制的期望值中。

3 電機驅動

運動過程中，STM32平衡車的輪轂電機獨立運動，需要較快的響應速度，在慣性環(huán)節(jié)結束前動作，所以供電電源是影響整體性能的關鍵之一，較好的供電方案采用大功率MOS管，以橋式結構驅動，同時注意主控電路與驅動電路的隔離。

4 結論

STM32平衡車控制算法在實際工程運用中具有良好的適應性，針對不同的產(chǎn)品只需修改其中相應的參數(shù)，就能達到精確控制的效果。結合STM32庫函數(shù)編程方式，能極大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和快速檢修故障。并且STM32F103單片機價格低廉，性價比高。適合產(chǎn)品大范圍推廣和生產(chǎn)。

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