郭勇 羅樂 周繼平 陳濤 王宇 孫大明 廖無瑕

基金項(xiàng)目：2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃省級(jí)立項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)S202011116076），成都工業(yè)學(xué)院“2017-2020年人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目”，成都工業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目，成都工業(yè)學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)175070）

摘要：兩輪平衡車是具有強(qiáng)耦合、不穩(wěn)定、多變量等多種特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，而基于倒立擺模型的兩輪平衡車主要依靠平衡和操縱動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自平衡。本論文設(shè)計(jì)了基于MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器的兩輪自平衡小車，自平衡車的姿態(tài)檢測與車身的平衡控制是通過MPU6050陀螺儀和TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的，通過引入藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了平衡車的無線控制和路徑規(guī)劃。最終的樣車實(shí)際測試結(jié)果表明本兩輪平衡車的設(shè)計(jì)是成功的。

關(guān)鍵詞：兩輪自平衡車;MC56F8013;姿態(tài)控制;PID;電機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）13-0077-02

1引言

近年來，兩輪自平衡車因?yàn)閾碛芯G色節(jié)能環(huán)保、方便靈活等多種優(yōu)點(diǎn)因而得到了很大的發(fā)展，如今已經(jīng)有很多關(guān)于這方面的研究以及相關(guān)的成熟產(chǎn)品問世[1-5]?，F(xiàn)實(shí)中，兩輪自平衡小車可看作是一種簡單的移動(dòng)倒立擺模型，它是一個(gè)多變量、多輸入、強(qiáng)耦合的復(fù)雜控制系統(tǒng)，是自動(dòng)控制研究領(lǐng)域一個(gè)永恒的經(jīng)典課題。兩輪自平衡車的本質(zhì)是一個(gè)自平衡的載體，它不同于自行車或者摩托車，自平衡車的兩個(gè)輪子是平行排列的。汽車能夠通過身體自身的平衡平穩(wěn)地移動(dòng)，而兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)需要引入內(nèi)部控制機(jī)構(gòu)來控制平衡，通過控制車輛的前后傾斜來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退。自平衡車具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)靈活，適用于狹窄、危險(xiǎn)的作業(yè)空間，在民用和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。兩輪平衡車的動(dòng)態(tài)特性控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域的經(jīng)典研究對(duì)象，兩輪自平衡車已成為驗(yàn)證控制算法理想平臺(tái)[6-7]，對(duì)其進(jìn)行研究具有非常重要的理論意義，而且，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)兩輪平衡車具有較高的經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用價(jià)值。

2兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)方法

本論文設(shè)計(jì)的兩輪自平衡車主要選用了TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、MPU6050陀螺儀[8]和HC-05藍(lán)牙無線通信模塊， 4.2有效發(fā)揮工業(yè)計(jì)算機(jī)和測控裝置的功能。低壓配電系統(tǒng)中電力自動(dòng)控制的應(yīng)用，須對(duì)通信信息予以關(guān)注，著重處理、搜集數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合顯示出的畫面來完成電力控制系統(tǒng)情況評(píng)估、分析工作。以電力測控裝置連續(xù)測量低壓配電系統(tǒng)三向回路電流、電壓、功率等參數(shù)，保證各個(gè)開關(guān)量處于監(jiān)視中，兩級(jí)過負(fù)荷越限警告，保證整個(gè)配電系統(tǒng)能夠安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)作。

在MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器上進(jìn)行了PID控制算法[9]，通過MC56F8013控芯片實(shí)現(xiàn)了各模塊和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制?，F(xiàn)將MC56F8013主控控芯片和核心模塊介紹如下：

2.1 MC56F8013主控芯片。飛思卡爾公司所生產(chǎn)的MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器具有體積?。═QFP封裝），功耗低（@3.3V工作電壓），運(yùn)行速度快（32MIPS），包含豐富的外設(shè)接口等特點(diǎn)，非常適合于本課題兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)。

2.2 MPU6050陀螺儀。本方案采用的陀螺儀傳感器型號(hào)為MPU6050，該芯片內(nèi)部同時(shí)包含陀螺儀和加速度傳感器模塊，還可通過自定義來拓展協(xié)處理器的功能。在方案實(shí)現(xiàn)過程中，還可以利用MPU6050的I2C通用串行數(shù)據(jù)傳輸接口來連接一個(gè)額外的數(shù)字傳感器，例如I2C溫度傳感器。此外，MPU6050還包含一個(gè)16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)量輸出到MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器。為了兼顧測量范圍和測量速度，該傳感器的檢測精度和速度可由芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置。

2.3 TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)。TB6612是一款由東芝半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的通用H橋驅(qū)動(dòng)芯片，芯片本身可以直接流過大電流，因此，當(dāng)使用TB6612芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)不需要外加額外的降壓模塊即可完成驅(qū)動(dòng)工作。本設(shè)計(jì)直接使用TB6612的兩路驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)進(jìn)行工作，相較與傳統(tǒng)的L298N H橋驅(qū)動(dòng)芯片，TB6612芯片的熱耗性更好，其內(nèi)部包含了二極管續(xù)流電路，使得TB6612芯片的運(yùn)轉(zhuǎn)不需要外加散熱片，TB6612芯片體積較小，在緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用更加靈活，外圍設(shè)計(jì)電路也較簡單，所以本設(shè)計(jì)選擇其作為直流減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制芯片。

2.4 HC-05藍(lán)牙模塊。本次設(shè)計(jì)方案中還選用了HC-05藍(lán)牙模塊來無線控制小車的運(yùn)行方向，HC-05模塊采用CSR主流藍(lán)牙芯片，支持藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓為3.6V～6V。藍(lán)牙模塊本身集成有連接狀態(tài)指示燈，通過指示燈的閃爍狀態(tài)可判斷出是否有藍(lán)牙接入，當(dāng)LED狀態(tài)指示燈快速閃爍時(shí)表示沒有藍(lán)牙接入，當(dāng)LED狀態(tài)指示燈慢閃時(shí)則表示有藍(lán)牙接入。MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器可通過通用串行接口與其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在自平衡車無線控制過程中，可以通過發(fā)送串口通信命令來調(diào)整自平衡車的控制參數(shù)，例如通過手機(jī)的藍(lán)牙接口與HC-05藍(lán)牙模塊通信并修改平衡車輛的運(yùn)行速度等。

3兩輪平衡車的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1兩輪平衡車的硬件實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)搭建的硬件結(jié)構(gòu)控制框圖如圖1所示，兩輪自平衡小車是由MC56F8013最小系統(tǒng)作為控制核心來完成自動(dòng)平衡的，小車的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向控制是利用智能手機(jī)自帶的藍(lán)牙模塊與兩輪平衡車的HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)的。MC56F8013最小系統(tǒng)讀取MPU6050陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)小車的姿態(tài)控制并使小車實(shí)現(xiàn)自平衡，所有的可控制參數(shù)通過OLED顯示屏進(jìn)行滾動(dòng)顯示，兩輪自平衡車的硬件原理圖如圖2所示。

3.2兩輪平衡車的軟件實(shí)現(xiàn)。軟件編程涉及的內(nèi)容包括：TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，MPU6050姿態(tài)控制程序，兩輪平衡車的濾波和小車姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取程序，車輪速度檢測程序，PID算法程序和藍(lán)牙通信程序。兩輪自平衡車控制系統(tǒng)的總程序框圖如圖3所示，程序運(yùn)行后其自平衡穩(wěn)定的工作狀態(tài)如圖4所示。

4結(jié)論

本論文先通過數(shù)學(xué)建模獲得了小車的PID控制參數(shù)，再由MC56F8013主控芯片運(yùn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制算法程序完成對(duì)平衡車的自平衡控制。本論文涉及的硬件電路模塊的實(shí)現(xiàn)主要涉及MC56F8013數(shù)字信號(hào)控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，姿態(tài)控制模塊MPU6050的設(shè)計(jì)、電源供電模塊的設(shè)計(jì)和藍(lán)牙模塊HC-05的選型。兩輪自平衡車控制軟件的實(shí)現(xiàn)包括姿態(tài)控制子程序的設(shè)計(jì)、PID控制算法的實(shí)現(xiàn)、藍(lán)牙通信模塊的子程序設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊子程序設(shè)計(jì)以及自平衡控制系統(tǒng)主控程序的編寫等。本論文設(shè)計(jì)并制作的兩輪平衡車經(jīng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，其不僅可以實(shí)現(xiàn)自平衡直線驅(qū)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)等基本操作，還可借助智能手機(jī)完成對(duì)平衡車的運(yùn)行軌跡規(guī)劃與控制，本自平衡車還可擴(kuò)展如北斗導(dǎo)航等多種功能模塊，可作為商業(yè)兩輪自平衡車的原型驗(yàn)證車。：

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作者簡介：郭勇（1981年7月-），男，漢族，重慶銅梁人，博士，講師，成都工業(yè)學(xué)院，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、光電子學(xué)、微波光子學(xué)。