基于STM32单片机红外遥控两轮自平衡小车的设计Word格式.docx
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编写适合自平衡系统的控制程序，通过对两轮自平衡小车进行调试，检验控制系统中相应算法的有效性。
二设计方案
设计目标
红外遥控两轮自平衡小车的设计目标是指最终能够达到一种自平衡的状态，它的构造是单轴双轮、能够独立驱动左右电机、车体的重心位于车轮轴上方，利用姿态传感器MPU6050（加速度计和陀螺仪）采集车体所处状态的姿态信息，将采集到的相关数据进行融合处理，实现两轮自平衡小车系统的设计。
小车在维持自平衡的条件下，接收端可以按照接收到的红外信号来控制小车实现前进、后退等基本动作。
基本设计思路
选择适合本设计要求的单片机主控型号；
选择能够稳定运行的姿态传感器，确保采集数据结果的准确性；
选择能够利用PWM精确控制的电机驱动；
选择合适的红外接收头；
设计稳定合适的电源为单片机控制系统、传感器系统和电机驱动系统提供可靠的电压和电流的供应。
红外遥控两轮自平衡小车的课题设计是以STM32F103芯片为主要运算、控制核心，以姿态传感器MPU6050、欧姆龙编码器、电机驱动、红外接收头、稳压电源为主要硬件电路组成的。
设计思想如下：
第一步,通过MPU6050姿态传感器测定小车在某一方向的重力加速度和偏转角速度，利用软件模拟IIC通信协议采集姿态传感器MPU6050的加速度及角度的数值，并通过滤波算法进行数据融合获得小车可靠的瞬时偏转角；
第二步：
根据MPU6050计算的小车状态设定驱动电机的PWM值驱动小车进行移动；
第三部：
连接编码器到主控，捕获小车当前转速，形成一个闭环系统；
第四步：
在小车能够达到动态平衡之后增加红外遥控，两轮小车按照接收到的红外信号根据设定的功能（如：
前进、后退）进行运动。
软件流程设计方案
程序是系统稳定运行的大脑神经，如果一个单片机控制系统没有可以用来控制的程序，那么再好的电路也是没有实际意义的。
程序的编写过程中需要注意以下几点：
1、程序的编写一定要按照预先搭建好的电路进行，操作一定要针对与被操作的对象。
2、程序的编写应该做到以尽量少的编程语言去实现更复杂的控制内容，只有这样，编写的程序才能够简洁完整。
3、需要学会程序调试，尽量减少程序中的无关参量的产生。
对于一个系统来说，程序总框图是系统设计指引方向。
如图21：
图21系统程序设计总框图
这个软件流程是根据硬件方案的选择进行绘制的，实际操作中也将完全按照这个方案进行程序的编写和硬件的调试。
整体方案概述
本次设计主要是使用姿态感器检测到小车的平衡状态，并通过滤波融合之后得到可靠的角度数据，根据角度设定小车左右两轮的PWM值控制电机转动，并同时通过光电编码器测定两轮车速度，形成一个稳定的闭环控制系统，在小车能够实现平衡的情况下，在程序中设定小车要完成的状态并调试完成。
系统的整体设计框图如图2-2所示：
图22系统整体框图
三硬件设计
单片机主控模块
STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M312。
STM32F103是一款常用的中等容量增强型、低功耗、32位基于ARM核心的带64K或128K字节闪存的微控制器，拥有USB、CAN、7个定时器（3个16位定时器、1个16位带死区控制和紧急刹车、2个看门狗定时器、系统时间定时器：
24位自减型计数器）、2个ADC、9个通信接口（2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、CAN接口USB2.0全速接口）等众多资源。
这款芯片运行时的最高频率可达到72MHz，其供电电压为2.0V至3.6V，拥有64K或128K字节的闪存程序存储器，带有4个片选的静态存储器控制器13。
该芯片还具有看门狗定时器，系统时间定时器，低功耗空闲和CRC计算单元，使得STM32F103芯片在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
单片机的最小系统由单片机、复位电路、晶振电路，电源电路，数据存储电路等几部分组成，需要正确连接各部分才能够使单片机正常工作。
该单片机的最小系统原理图如图3-1：
图31单片机最小系统
姿态传感器MPU6050
车辆姿态检测主要包括加速度检测和角速度检测，系统中采用的姿态传感器型号为MPU6050。
MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，避免了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。
该传感器集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，及一个可以扩展的数字运动处理器DMP。
该传感器的供电电源为3-5V，采用标准的IIC通信协议，并且采用400kHz的IIC接口作为该传感器与所有设备寄存器之间的通信接口。
此外，MPU6050传感器包含的1024字节的FIFO寄存器，能够降低系统的功耗。
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的17。
MPU6050带有三个陀螺仪和三个加速度计，其中三轴陀螺仪作为测试角速度的传感器，角速度全格感测范围为+250、+500、+1000与+2000°
/sec（dps），当选择量程为+250dps的时候，将会得到分辨率为131LSB/（°
/s），相当于载体在X+轴转动1dps，ADC将输出131。
每个陀螺仪负责检测相应轴的转动速度，也就是检测围绕各个轴转动的速度，像三轴的陀螺仪将同时检测xyz的旋转。
三轴加速度传感器是IIC接口的数字传感器，通过特定命令可以配置加速度的量程，并将内部ADC的转换结果读出来18。
由于本次课题设计中选择MPU6050的模块用于测量3轴的加速度与角速度数据，为平衡车提供数据依据。
所以使用时只需要将其相应的引脚连入STM32中即可。
引脚介绍：
VCC：
3.3V-5V电源输入（内部有稳压芯片）
GND：
地线，接电源负
SCL：
MPU6050作为从机时IIC时钟线
SDA：
MPU6050作为从机时IIC数据线
XCL：
MPU-6050作为主机时IIC时钟线
XDA：
MPU-6050作为主机时IIC数据线
AD0：
地址引脚，其电位高低决定了IIC地址的最低位
INT：
中断引脚
在本设计中STM32作为主机，MPU6050作为从机，只需要使用SCL和SDAIIC时钟和数据线，XDA和XCL两个引脚悬空不用；
本次使用时AD0引脚悬空，默认为0，所以作为从机的MPU6050地址为0XD0；
在控制程序中，直接在定时器中断中调用，不需要使用外部中断，所以INI中断引脚悬空不接入STM32。
本次设计中MPU6050使用的引脚为：
VCC、GND、SCL、SDA，且采用的是PC12作为SCL时钟线，PC11作为SDA数据线进行IIC时序的模拟。
与主控连接的电路设计图如图3-2：
图32MPU6050与STM32连接电路
编码器
编码器属于光电编码器的一种，其内置相关的码盘和红外激光头，在制作中将A、B两个激光头在物理上根据码盘缝隙大小错位了90度的相位，车轮旋转带动欧姆龙旋转时，码盘旋转，激光头不动，通过数据线输出的A、B两相的脉冲之间存在90度的相位差，利用A相脉冲在前还是B相脉冲在前便可以确定小车的行进方向，根据A、B两相中的任意一相输出的脉冲数结合程序中设定的捕捉时间便可以确定小车的行进速度。
光电编码器的使用比较简单，连接电源线和A、B两相的信号线。
由于STM32主控能够处理的电压信号在3.3V左右，且经测试使用3.3V电源供电时欧姆龙编码器能够得到稳定的脉冲信号，所以本次设计使用的欧姆龙编码器使用3.3V电源进行供电。
在使用的时候在A、B两相上增加10K上拉电阻保证信号的强度。
本次设计中欧姆龙编码器使用的定时器为TIM3和TIM4的编码器模式，连接引脚分别为：
欧姆龙编码器1连接PA6和PA7，即STM32定时器TIM4的输入通道1和通道2；
欧姆龙编码器2连接PB6和PB7，即STM32定时器TIM3的输入通道1和通道2。
其与主控连接的电路设计图如图3-3：
图33欧姆龙编码器与STM32连接电路
3.3V电源输入
地线，接电源负（3.3V稳压电源的负）
A：
编码器脉冲输出端
B：
其中正转时A相输出脉冲比B相早90度，反转时B相输出脉冲比A相早90度，利用A、B两相的脉冲来判断转速和方向。
电机及电机驱动模块
电机介绍
平衡小车的设计需要选择合适的电机才能够正常工作，转速能够保证电机的相应速度，转矩能够提供有效的回复力。
本次设计中选用直流7.2VRS-380直流电机，额定转速15000r/min，这种电机便于安装在自行选购的车模上，且转速高，通过车模的齿轮结构能够有效提高电机输出到小车的转矩。
该电机与主控连接口如图3-4：
图34主控-电机接口
电机驱动模块
由于直流电机精确控制难度比较大，为了能够调节小车速度，利用STM32F103芯片生成四路PMW波形进行控制，电机驱动模块选择具有PWM输入引脚的BTN7971B功率驱动芯片构成的电机驱动。
此模块由四个BTN7971B大电流（68A）半桥驱动芯片构成驱动电路，通过改变输入电机驱动的PWM值控制驱动芯片的导通时间来控制直流电机的转速。
本设计使用过的电机驱动包括4路PWM输入、5V输入、7.4V电源输入、两路电机输出和一个电源指示灯。
控制引脚具体解释：
GND1：
5V电源地；
EN：
5V使能引脚（5V工作，0V关闭，禁止悬空）；
PWM1：
控制电机1的转速；
DR1：
控制电机1的转向；
PWM2：
控制电机2的转速；
DR2：
控制电机2的转向；
红外遥控
本次设计所用的红外遥控拥有发射和接收两个部分，为防止受到其他红外发射器的干扰，能够通过更改电路板上的8为地址位的高低电平将发射端和接收端进行地址匹配的设定，本设计中没有使用多个红外遥控，所以不需要进行发射端与接收端的匹配。
本次设计使用的红外遥控的实物如图3-5：
图35红外遥控实物图
在设计之前的测定中，该红外遥控的电源只能使用5V电压供电，输出为5V的高电平，采用3.3V电压供电的时候，接收端没有信号输入，考虑到本设计的芯片STM32的工作电平为3.3V，不能接收5V的电平信号，所以在与主控引脚连接的过程串接了10K的降压电阻。
与主控连接的电路设计图如图3-6：
图36红外遥控与STM32连接电路
电源模块的选择
在设计所需要的元器件和芯片需要电源为5V直流电压和3.3V直流电压，所以需要将电池电压进行转换选择方式为选择稳压芯片搭建稳压电路，将高电压转换为低电压。
本设计的电源采用7.4V可充镍镉电池、一个2940-5V稳压芯片、一个7805-5V稳压芯片和一个1117-3.3V稳压芯片。
1、总电源：
平衡小车的需要的电池条件为电压稳定和电量足，镍镉电池的使用时现在使用最多的小容量充电电池，可以满足本设计的对电池的基本需求。
本设计使用的为7.4V，2000mAh镍镉电池。
本设计使用的电池实物如图3-7：
图37电池实物图
7.4V电池引入接口如图3-8：
图387.4V电池引入接口原理图
2、5V电源：
本设计中只有电机驱动需要使用5V电源，因为电机驱动对于电压质量的要求不是很高，但是对电流要求比较大，所以选择输出电流比较大的2940-5V稳压芯片作为5V电源转换电路的核心元器件。
2940-5V稳压芯片引脚分别为：
Vin（电源输入端）——1引脚
GND（电源负极）——2引脚
Vout（5V电压输出端）——3引脚
2940-5V稳压芯片组成电路原理图如图3-9：
图392940-5V稳压芯片组成电路原理图
其中电路中电容的作用为滤波，使稳压芯片输出的电压更加线性。
3、3.3V电源：
本设计中MPU6050、欧姆龙光电编码器、STM32F103芯片等都需要3.3V电源，考虑到芯片的承受能力，选择先将7.4V电池电压通过5V稳压芯片7805-5V转换为5V电压，再通过11173.3V稳压芯片将电压稳定到3.3V。
1117-3.3V稳压芯片引脚分别为：
GND（电源负极）——1引脚
Vout（5V电压输出端）——2引脚
Vin（电源输入端）——3引脚
7805-5V稳压芯片与1117-3.3V稳压芯片组成电路原理图如图3-10：
图3107805-5V稳压芯片与1117-3.3V稳压芯片组成电路原理图
其中电路中的电容作用是使稳压芯片的输出电压更加平滑，且设计过程中应该十分注意1117-3.3V稳压芯片的引脚与2940-5V稳压芯片和7805-5V稳压芯片的引脚接口都不一样，避免线路错误使芯片损坏。
四软件设计
MPU6050传感器数据采集和处理
MPU6050的数据是通过IIC通信协议进行写入和读出的，所以在读取数据之前需要了解IIC的工作原理和方式。
STM32F103芯片内置了2路的IIC通信协议硬件电路，但是在使用的过程中会出现传输过程中被优先级高的中断给打断，造成数据的错误或传输失败，官方给的建议是将IIC的优先级配置为最高，但是这样的做法会在数据输出的时候，只能运行这一部分，不能发挥其他中断的优势，在小车这样需要时关注姿态并调整的动态系统中使用这样的硬件IIC不合适，所以我选择利用I/O口依据IIC通信协议和时序进行软件模拟。
I/O选择：
SCL—PC12，SDA—PC11。
IIC的位传输时序如图4-1：
图41IIC总线的位传输时序图
由时序图可知在时钟线SCL的电平显示高的时候，数据线SDA数据保持不变，时钟线SCL显示低电平的时候，允许数据线SDA进行数据变换。
IIC的启停时序如图4-2：
图42IIC的启停时序图
IIC通信协议有固定的启动信号和停止信号，其中启动信号为时钟线高电平的时候数据线形成一个下降沿，停止信号为时钟线高电平时数据线形成一个上升沿。
MPU6050数据的采集步骤：
将MPU6050传感器进行初始化（包括接触休眠、设置采样速率、设置加速度传感器范围、设置陀螺仪测量范）；
MPU6050数据的采集，采样期间的写字节、读字节都是通过IIC数据传输协议进行。
加速度计数据
加速度计原始数据如图4-3：
图43加速度计原始数据
条件：
随意摆动小车。
由上图可知，MPU6050获得的加速度的原始数据在小车摆动的过程中数据变化范围很大，对角度很敏感。
加速度计处理后数据如图4-4：
图44加速度计处理后数据
增加比例环节，使原始数据转换为角度值。
转换为角度值后，数据变化范围缩小，图为在+90—-90度之内摆动小车获得的数据。
在每次的数据变化的瞬间加速度计数据都有很大的过冲，需要进行滤波处理。
陀螺仪数据
陀螺仪原始数据如图4-5：
图45陀螺仪原始数据
给小车一个小抖动。
由上图可知，MPU6050获得的陀螺仪的原始数据在小车抖动的过程中数据变化很明显，能够准确反映小车的转动角速度。
对X轴方向上的陀螺仪输出的角度信息对于时间的积分即为角度数据，如图4-6：
图46陀螺仪积分获得的角度数据
增加比例环节，使陀螺仪原始数据原始数据转换为角速度值，再对角速度对时间进行积分显示。
加速度计和陀螺仪数据融合
传感器数据融合是指对来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，从而产生新的有意义的信息，而这种新信息是任何单一传感器所无法获得的20。
数据融合的过程中采用的是清华滤波方案，如图4-7所示，通过一个比例和积分过程将陀螺仪数据和加速度数据进行融合，实现角度的平滑滤波。
图47MPU6050数据处理框图
整体数据输出图像如图4-8：
图48整体数据输出图像
其中：
红色曲线表示依据加速度计获取的信息求取的角度值；
黄色代表的是陀螺仪求解的角速度值；
蓝色代表的是根据加速度计和陀螺仪的数据融合之后的角度。
光电编码器数据的读取
电机转动速度的求取
将STM32的定时器设定为脉冲捕捉模式，在上升沿或下降沿对光电编码器的A相和B相输出的脉冲进行捕捉计数，在特定时间内对脉冲进行计数进而求取转速。
本次设计使用的欧姆龙光电编码器的码盘为300线，所以在轮子转动一周A相和B相都会输出300个脉冲，但是电机—轮子—欧姆龙编码器之间均采用齿轮进行连接，虽然能够通过测量和计算获得轮子转动周期与编码器转动周期之间的比例系数，但是在程序中依旧需要一个比例系数对数据进行放大以控制电机的情况下不需要准确的值，在单一记录A相高脉冲的情况下数据的转换应为：
电机转速（度/秒）=捕获脉冲数/（P/360）
P代表轮子与编码器之间的转动周期比例。
电机转动方向的求取
根据A相和B相超前和滞后的情况可以知道电机的转动方向。
可以利用这一点进行程序的编写。
通过配置相应定时器的编码器模式的参数，在A相脉冲超前B相脉冲时计数器累加，在A相脉冲超前B相脉冲时计数器累减，最后根据计数器的正负便可以知道电机的转向。
脉冲捕捉方式设定的是上升沿和下降沿捕捉（在上升沿和下降沿均对A相和B相进行捕捉），所以计数器内数值是A相或B相高脉冲数值的4倍，所以数据转换公式应该修改为：
电机转速（度/秒）=捕获脉冲数/（7560*4/360）
PID算法与平衡控制算法程序
MPU6050输出角度控制的PWM整定
通过MPU6050输出的角度数据控制整定控制电机的PWM是一个开环控制系统，采用比例微分控制器（设定PID控制器中的I值为0），公式如下：
电机PWM=融合之后的角度*P+陀螺仪的角速度*D
P代表的是融合之后的的角度与控制电机PWM之间的比例关系，P值太小电机的响应太慢，不能支撑小车的平衡，P值太大电机的响应过大，小车会出现震动现象。
在控制方式中引入陀螺仪角度的微分值是希望能够将陀螺仪的迅速变化量转换为电机的快速响应，但是由于小车本身并不是一个刚体，过大的D值将会使小车产生抖动。
本设计中设定PID控制方式中的I值为0，P、D参数调节方法如下：
（1）先调节P值，从0开始逐渐增大，当小车开始震动的时候（小车开始以平衡点为中心来回摆动）停止调节P值；
（2）从0开始增加D值（每次增加量很小，为0.1），当小车开始抖动的时候（小车在原地不停的抖动）停止调节D值并记录此时的D值；
（3）再逐步增加P值至小车再次震动并记录此时的P值。
通过上面的三个步骤已经能够确定使小车平衡的最大P值和D值，在最大的P值和D值之内选择合适的P值和D值来控制小车的平衡。
程序中设定的P值为72，I值为0，D值为4.5。
欧姆龙编码器输出速度控制的PWM整定
通过光电编码器输出的速度数据控制电机的PWM是对角度控制电机PWM开环系统的补充，使其能够形成一个闭环系统，采用比例积分控制器（设定PID控制器的D值为0），公式如下：
电机PWM=（设定速度-编码器测定的速度）*P+
（设定速度-编码器测定的速度）的积分
P代表的是速度偏差与控制电机PWM之间的比例关系，P值太小电机的响应太慢，P值太大电机的响应过大，小车会出现围绕一点来回摆动的现象；
在控制方式中引入偏差值的积分值是希望能够消除小车的静态误差，但是积分常数过大会使小车电机调节过大无法返回，小车失控。
调节合适的P值和I值与角度的P值和D值共同作用，便能使小车依照设定的速度和放下进行行驶，使小车达到可控状态，便会满足本次前进、后退、转向的设计要求。
本设计中设定PID控制方式中的D值为0，P、I参数调节方法如下：
（1）先调节I值，从0开始逐渐增大，每次增加量为0.001，至小车能够消除静态抖动，使小车能够更稳定的站立；
（2）从0开始增加P值，每次增加0.5，使小车能够在外加扰动的情况下站立；
（3）再次增加I值和P值，使小车能够承受更强的外部干扰。
程序中设定的P值为7，I值为0.018，D值为0。
电机控制程序
设计中电机转速是通过PWM进行控制的，所以小车整体的运行需要各部分对电机PWM要求的叠加：
电机PWM=角度控制PWM+速度控制PWM+方向控制PWM
还需要对电机进行相应的饱和处理和死去处理，即限定电机PWM的最小值和最大值。
整体PWM控制框图如图4-9：
图49整体PWM控制框图
程序整体控制时序
在本次平衡小车的设计中，大部分的控制程序均放在定时器中进行，保证了数据的时时采集与处理，本次设计中程序的整体运行周期为5ms，由于小车的平衡稳定与控制时序有很大的关系，所以将5ms的定时周期又分为1ms分时分段进行不同的事件处理，处理顺序为速度控制与方向控制—>
角度数据采集—>
角度数据处理与电机控制—>
速度平滑函数计数—>
方向平滑函数计数，其中速度平滑函数和方向平滑函数是将速度和方向的变化量分多次逐次增加到电机上，防止出现相应过大的情况。
五设计调试及遇到的问题处理
在设计的制作过程中，往往会出现出人意料的结果，有时候数据读取的方式完全正确，但是数据却有错误或者数据处理之后出现突然积分现象，这是由于我的设计经验的不足导致的，所以在设计的过程中付出了很多努力才将两轮平衡小车调试完成。
设计调试的方案及安排
第一步：
全面熟悉使用芯片功能和相应的引脚定义。
设计电路图并依据电路图焊接设计所需的电路板。
第三步：
检查焊接的电路板是否存在问题，如短路、虚焊、功能无法实现等。
分模块编写程序。
如进行MPU6050数据的采集、数据融合与调试光电编码器获取车模速度编写在不同的程序中，便于分析。
第五步：
在各部分调节好了的程序模块进行融合，分析修改融合之后的问题，使整个程序能够稳定的运行。
第六步：
进行实际测试和参数修改。
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