基于STM32芯片的自平衡機(jī)器人

畢亞楠，田江濤，曾家明，郭宵冉，王橋，左欣，游順才，楊世龍，李洋

（貴州師范學(xué)院，貴州貴陽，550000 ）

0 引言

近年來，自平衡機(jī)器人在移動路徑和方向上更加的靈活，更加容易被控制，并且簡化了車體結(jié)構(gòu)，為提供新的功能提供了空間。該機(jī)器人驅(qū)動功率小，屬于環(huán)保型車的一種新模式。在自平衡機(jī)器人的鉆研上，國內(nèi)以及國外都取得了一定的成就，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Felix Grasser等人成功研制出了利用DSP控制的兩輪自平衡機(jī)器人；從國內(nèi)的研究成果上看，我國的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研制了一款自平衡電動代步車，該款自平衡電動代步車其實(shí)就是是一種兩輪平衡車。在機(jī)器人的各種門類中，輪式機(jī)器人的制作成本低，并且結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，有極高的研究價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

自平衡機(jī)器人由兩個車輪和機(jī)器人機(jī)身組成，機(jī)身是連接著兩個車輪的長方體結(jié)構(gòu)，機(jī)身下方安裝機(jī)器人的控制系統(tǒng)以及電池等電路設(shè)備，機(jī)身上方安裝拓展性的功能模塊。下圖是機(jī)器人的系統(tǒng)總設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

主要是以PID算法為核心，使用陀螺儀模塊獲取當(dāng)前機(jī)器人的姿態(tài)，使用霍爾傳感器獲取到機(jī)器人當(dāng)前車輪速度，最后將反饋回來的姿態(tài)以及速度做PID算法，最后得到最佳PWM值的輸出，使機(jī)器人的姿態(tài)更加穩(wěn)定。其次機(jī)身上方安裝了K210開發(fā)板做人臉識別功能。主要使用K210開發(fā)辦來檢測人的面部特征，錄入、識別人臉這兩個功能來對我們索要達(dá)到的效果進(jìn)行一個監(jiān)測，進(jìn)一步對人臉進(jìn)行精確識別。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

自平衡機(jī)器人的硬件模塊主要有STM32F103C8T6芯片、霍爾傳感器、MPU6050陀螺儀模塊、K210開發(fā)板等。

2.1 主控芯片

自平衡機(jī)器人的控制基礎(chǔ)是STM32F103C8T6芯片。該款芯片是一種基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，芯片的硬件通過LQFP48進(jìn)行封裝，該芯片具有封裝體積小、處理速度快、功率損耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]。該芯片通過2.0V～3.6V的直流電壓供電，總線寬度為32位，并有DMA、電機(jī)控制PWM等外圍設(shè)備。

2.2 驅(qū)動電路

直流減速電機(jī)是機(jī)器人的動力來源。在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上齒輪減速箱就構(gòu)成了我們所需的直流減速機(jī)。齒輪減速箱會為我們提供較低的轉(zhuǎn)速以及比較大的力矩。通過齒輪箱減速比的不同，會給我們提供相應(yīng)不同的力矩和轉(zhuǎn)速。有了直流減速機(jī)我們就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向等操作。由于我們的直流減速電機(jī)的供電電壓是12V，但STM32單片機(jī)的電壓和電流都達(dá)不到要求，所以我們使用了電機(jī)驅(qū)動TB6612。使用這款驅(qū)動，不僅可以驅(qū)動控制我們的直流減速電機(jī)，而且單片機(jī)還可以輸出相應(yīng)的pwm（脈沖寬度）給驅(qū)動，從而對直流減速電機(jī)的速度進(jìn)行控制。

2.3 姿態(tài)傳感電路設(shè)計

為使保持機(jī)器人的平衡，我們選擇了集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計的MPU6050模塊。該模塊解決了組合陀螺儀和加速器時間軸有誤差的問題，減少了很多的封裝空間。MPU6050采用自帶的數(shù)位運(yùn)動處理器DMP，通過主I2C接口，以單一數(shù)據(jù)流的形式，直接讀取完整的9融合驗算數(shù)據(jù)并向應(yīng)用端輸出。

MPU6050中的陀螺儀能夠直接測量某一方向軸上的旋轉(zhuǎn)角速度，然后通過積分方式轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度，其在短時間內(nèi)能夠得到很好的測量結(jié)果，并且受外界的震動干擾因素影響較小[1]。對于MPU6050中的加速度計，其能夠直接測量某一方向上的加速度，在只受重力影響的環(huán)境下，通過測量重力加速度在某一方向上的分量，經(jīng)過簡單的三角函數(shù)運(yùn)算，就可以得到MPU模塊的角度變化[1]。由于陀螺儀受震動因素影響小，而加速度計不存在累計誤差，所以通過兩者的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后便能得到準(zhǔn)確的角度采樣值。

我們選取了霍爾傳感器進(jìn)行機(jī)器人的速度檢測。霍爾傳感器一種磁場傳感器，其基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)[2]。霍爾傳感器結(jié)構(gòu)比較牢固，體積較小，重量較輕，功耗小，并且精度高，適用于工業(yè)和家電應(yīng)用中作為固態(tài)電子開關(guān)。利用測磁技術(shù)輸出數(shù)字信號的特點(diǎn)將霍爾傳感器應(yīng)用于測速，其原理是利用霍爾效應(yīng)將壓力、拉力和位移等變量轉(zhuǎn)換為霍爾元件周圍的磁場變化，是一種磁場傳感器。當(dāng)機(jī)器人往前或是向后走的時候，我們用霍爾傳感器檢測機(jī)器人車輪的速度，單片機(jī)得到速度數(shù)據(jù)后，用該數(shù)據(jù)來做PID運(yùn)算，最后也是以pam的方式輸出來對電機(jī)進(jìn)行控制，使得機(jī)器人更加地穩(wěn)定。

2.4 顯示模塊設(shè)計

自平衡機(jī)器人采用了0.96寸OLED顯示屏作為機(jī)器人的顯示器，可以顯示陀螺儀檢測到的數(shù)據(jù)。OLED與LCD技術(shù)相比較來看，屏幕厚度更薄，重量更加輕，具有廣視角。所以我們采用了OLED作為我們機(jī)器人的顯示屏幕。用來顯示MPU6050所檢測到的各種數(shù)據(jù)，讓人們能夠明確地知道機(jī)器人的狀態(tài)。

2.5 人臉識別模塊設(shè)計

對于我們的自平衡機(jī)器人，除了自平衡之外，我們還增加了人臉識別的功能。自平衡機(jī)器人使用K210芯片作為主控模塊，它內(nèi)部包含了KPU，內(nèi)置卷積、批歸一化、激活以及池化運(yùn)算單元，可對人臉或物體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 自平衡機(jī)器人平衡控制機(jī)理

自平衡機(jī)器人的機(jī)身只有兩個輪子，車輪共軸著地，獨(dú)立驅(qū)動[3]。當(dāng)機(jī)身傾斜時，姿態(tài)傳感器檢測到機(jī)身傾斜信息，控制器接收信號，輸出控制量控制電機(jī)向傾斜方向的同方向運(yùn)動，抵消傾斜力矩，從而使機(jī)身保持平衡。

3.2 PID軟件設(shè)計

（1）PID算法

PID算法是我們研究所需的核心。PID控制算法主要是對被控制對象當(dāng)前的值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行偏差計算，對這個偏差進(jìn)行PID計算，整定好PID參數(shù)，最后輸出整定好的量來對被控制對象進(jìn)行控制[4]。當(dāng)機(jī)身發(fā)生傾斜時，系統(tǒng)通過PID控制算法，將機(jī)身角度、機(jī)身角速度、機(jī)身位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，輸出PWM信號驅(qū)動電機(jī)，就會使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自平衡[5]。

圖3 PID算法功能實(shí)現(xiàn)

（2）PD控制

自平衡機(jī)器人若想在水平線上能夠保持相應(yīng)的平衡，就需要平衡機(jī)器人在兩輪共同著地時，使機(jī)身盡可能地傾斜到滾動軸方向；若是想保持機(jī)身的平衡，當(dāng)機(jī)身發(fā)生傾斜時，機(jī)身要向傾斜的方向向前移動才能使機(jī)身保持平衡[7]。PD控制算法的主要效果就是讓自平衡機(jī)器人的機(jī)身保持平衡。

P（比例）控制算法是對當(dāng)前的誤差進(jìn)行一個比例增益。首先我們給定一個設(shè)定值（SetAngle）,MPU6050測量反饋出的測量值（Angle）,角度誤差值（ErrorAngle）。

ErrorAngle=Angle-SetAngle；此時比例向結(jié)果為（RealAngle），RealAngle=Kp*ErrorAngle（Kp 為比例系數(shù)）。

D（微分）控制時K時刻角度差值與K-1時刻角度差值的差值進(jìn)行一個增益，主要的作用是作為一個超前調(diào)節(jié)。這里K與K-1角度差值的差值是角度微分，為角速度，而MPU6050陀螺儀模塊可以直接測量到此時的角速度（gyro_Y）。此時微分項結(jié)果為out=Kd*gyro_Y（Kd為微分系數(shù)）。

(3)PI控制

平衡器人的速遞控制是通過正反饋的方式來實(shí)現(xiàn),使得輸出起到的作用與輸入相同；當(dāng)小車向前傾斜，電機(jī)此時要獲得更大的速度使得小車向前跑才能讓小車趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到平衡的效果。

4 總結(jié)

測試結(jié)果表明，自平衡機(jī)器人在通電后能夠立刻達(dá)到平衡狀態(tài)，輕輕推動即可恢復(fù)平衡，具有低功耗，方便，環(huán)保，高效等特點(diǎn)。基于STM32單片機(jī)的自平衡機(jī)器人由于控制系統(tǒng)復(fù)雜多變，綜合性強(qiáng)，具有較高的科技含量。在未來的很長時間，自平衡機(jī)器人將會在移動機(jī)器人領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)更好的控制系統(tǒng)的應(yīng)用。