基于STM32的藍牙自平衡小車

屈德華 鄧鵬文 曾渝 魏虎

摘要：本設計是在自平衡小車直立的基礎上，設計一個可以控制其移動的二輪平衡小車，實現自主直立平衡和APP控制其移動。以STM32F103RCT6單片機作為主控芯片，使用集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計的六軸運動處理傳感器MPU6050作為姿態傳感器，這里用卡爾曼濾波算法對采集的數據進行融合處理，來減小數據的不準確性和不穩定性，通過TB6612FNG電機驅動芯片來驅動兩個大功率直流電機，在直立和移動控制方面，采用傾角和角速度反饋，以串級PID控制來實現平衡小車的直立平衡和移動，通過藍牙模塊，可實現手機APP對其進行控制。

關鍵詞：STM32;藍牙;PID控制;自平衡小車;卡爾曼濾波

最近幾年，自平衡小車在美國、日本、瑞士等國是研究熱點，設計出了多個實驗機型，提出很多平衡控制方案，對實驗機型的平衡性能與運動特性進行了測試驗證。通過在兩輪自平衡系統的基礎上進行二次開發，可以在很多環境中得到應用，比如承載、代步、運輸、環境監測等，再加上微電子、集成電路的發展使得自平衡小車的生產成本降低了很多，所以說自平衡小車系列的商業化產品有很好的發展前景。

1 自平衡小車原理

自平衡小車的直立、速度和轉向控制都是直接通過控制兩個直流電機完成，小車前傾是車輪要往前運動，小車往后傾需要往后運動，讓小車保持平衡。由于轉動慣量是客觀存在的，為了讓小車靜止在平衡位置附近，不僅需要在電機上施加和傾角成正比的回復力，還要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力和運動方向相反。因此需要測量平衡小車的角度偏差和角速度，控制小車的速度來完成直立控制。角速度通過六軸運動傳感器內置陀螺儀測出，并且不受運動影響。內置加速度計測出在X、Y、Z軸的一個方向上的加速度值通過反正切函數就可以計算出小車的傾角。由于無法徹底消除運動加速度對角度測量的影響，需要聯合陀螺儀測出的角速度通過積分獲得的傾角，再使用卡爾曼濾波算法，將兩個傾角值數據進行融合產生一個更為準確和穩定的傾角數據。將得到的傾角數據和角速度來控制小車，并和測得的電機的速度信息結合實現消除角度偏差形成閉環控制。

2 系統方案設計

本次設計采用STM32F103RCT6作為主控芯片，通過獲取MPU6050傳感器獲取的Y軸的角度和加速度信息，并且經過用卡爾曼濾波對角度和加速度信息進行濾波來產生控制信號，控制方式采用模糊PID控制，通過將控制信號PWM波輸送到TB6612去驅動電機，電機再將自身的運動數據傳回來給STM32，STM32再根據控制要求對自平衡小車的姿態不斷的進行調整，最終形成一個閉環的控制。然后手機通過在APP中藍牙連接至自平衡小車上藍牙模塊進行通信，傳輸運動信息和控制信息。

3 系統硬件設計

3.1主控芯片

本系統選用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片內核是ARM 32位的Cortex-M3，芯片集成多個定時器，可輸出多路PWM信號是的電機驅動模塊獲得穩定的PWM波形，另外還集成了SPI，I2C，USART等多種通信接口，方便與MPU6050、藍牙以及OLED屏進行通信。

3.2電機驅動芯片

TB6612FNG是東芝半導體公司生產的一款直流電機驅動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出，可同時驅動2個電機。本設計通過主控芯片輸出兩路PWM波給TB6612FNG芯片去驅動直流電機，調節PWM波的占空比來控制電機的速度，同時主控芯片通過兩個引腳去控制電機轉向。

3.3無線傳輸模塊

本次設計所選取的無線傳輸芯片是藍牙模塊 HC06，它是主從一體化的串口傳輸的無線通訊模塊。通過手機藍牙APP連接至HC06藍牙模塊上，然后手機產生一系列的控制信號通過藍牙傳輸給平衡小車的主控芯片，主控芯片經過識別解碼，再對平衡小車進行前進、后退、轉彎控制。

3.4 姿態檢測傳感器

姿態檢測是整個控制系統中比較重要的環節，它的數據的即時性和準確性直接影響著整個系統的穩定情況。在本次設計中姿態檢測芯片選擇的是一款集成三軸加速度和三軸角速度的六軸傳感器 MPU6050，并且MPU6050內部集成一個內部 DMP。

4 軟件設計

4.1系統主程序設計

首先在主程序中進行初始化聲明、系統時鐘定義。然后采集小車的速度信息和角度信息再進行濾波融合處理，通過PID控制輸出相應的PWM信號控制電機轉動，達到平衡狀態。姿態角檢測模塊MPU6050與主控芯片是IIC通訊，獲得來自小車的三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號。磁力計與MPU6050通過IIC連接，與陀螺儀和加速度計共同作用。小車車速的檢測是通過編碼器采集到的信息轉化成對應的速度值大小實現的。單片機通過定時器捕獲脈沖信號和輸出電機驅動PWM波。

系統初始化完成后，系統等待MPU6050初始化完成，直到MPU6050初始化完成時，OLED被點亮顯示卡爾曼濾波模式、左右電機速度、MPU6050內部溫度、電池電壓以及自平衡小車自身傾角。OLED屏幕上顯示的數據是實時更新的，等待按下啟動按鈕，當按下啟動按鈕時，自平衡小車自動進入直立平衡模式，保持自身的直立狀態，若有手機通過藍牙連接至自平衡小車，則進入控制模式，控制模式是在直立模式的基礎上完成的，并且可以完成轉彎，前進和后退動作。

主程序的主循環里面主要是對顯示的控制，選擇是否將數據更新到連接到小車的手機APP上面。然后程序中所有任務的調度都是在外部中斷服務程序中執行。

4.2 濾波和控制算法

平衡小車獲取姿態角的濾波算法一般為卡爾曼濾波和一階互補濾波。但是 MPU6050 內置的 DMP 可以直接輸出和姿態相關的四元數。所以，常用的有三種方法可以獲取角度。根據長時間的實踐，以DMP 輸出的四元數表示的角度和卡爾曼濾波最為穩定。互補濾波的效果稍差，但也是很不錯的。最終采用的是卡爾曼濾波。

直立控制：PD控制，這是最核心的控制，其他的控制都是相對直立控制而言都是干擾。速度控制：PI控制對編碼器信息進行低通濾波可以削弱電機控制的比重，提高系統穩定性。轉向控制：PD控制結合了Z軸陀螺儀PD控制。

5 設計總結

系統設計過程中要考慮到主芯片STM32的資源分配，根據傳感器的控制端口類型以及所支持的接口協議，分別來設計各個傳感器與主芯片STM32的端口對接。硬件調試的思路，首先是分模塊調試，再完成系統實現。難點有：MPU6050的數據的采集和處理，PID控制方式的理解和實現以及PID參數的調試。通過調試前對PID控制原理和各參數的物理含義有基本的理解，然后在進行PID代碼原理實現以及PID參數調試，在調試的過程中逐步理解PID。

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作者簡介：

屈德華（1995-），男，漢，四川瀘州，本科，研究方向：信息工程。

鄧鵬文（1998-），女，漢，四川達州，本科，研究方向：信息工程。

曾渝（1998-），男，漢，四川德陽，本科，研究方向：電氣工程。

魏虎（1995-），男，漢，四川綿陽，本科，研究方向：通信工程。