引言

兩輪自平衡小車系統(tǒng)類似于倒立擺系統(tǒng)，具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合等特點，是研究各種控制方法的理想平臺。兩輪自平衡小車系統(tǒng)的控制過程是微控制器對姿態(tài)檢測傳感器和編碼器等采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算出使系統(tǒng)恢復(fù)平衡的實時控制量，從而驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

針對小車系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文提出了將卡爾曼濾波算法和雙閉環(huán)PID控制算法相結(jié)合的方法，既利用卡爾曼濾波算法對MPU-6050傳感器采集的傾斜角度和角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到小車平衡姿態(tài)的最優(yōu)估計值，又利用以姿態(tài)信息、速度為反饋控制量構(gòu)成雙閉環(huán)PID控制算法，再結(jié)合采用高性能STM32F103C8T6作為主控制器，從而提高兩輪小車系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其硬件電路主要由主控制器模塊、姿態(tài)檢測模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、編碼器及電源模塊等幾部分構(gòu)成。電源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個模塊控制電路的電源。主控制器模塊是系統(tǒng)的控制核心，用來接收傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及運(yùn)算，將控制信號輸出給直流電機(jī)驅(qū)動模塊。姿態(tài)檢測模塊實時地對小車角速度及角加速度進(jìn)行采集。直流電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)將主控制器輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換為控制信號驅(qū)動2個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。編碼器負(fù)責(zé)測量直流電機(jī)的速度和方向，將測量數(shù)據(jù)反饋給主控制器，從而形成閉環(huán)控制。

圖1 ?系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1．1、電源模塊

本系統(tǒng)選用的直流電機(jī)工作電壓為12V，因此采用三節(jié)3．7V可充電電池構(gòu)成12V直流電源。但STM32主控制器和MPU-6050需要的是3．3V直流電源，因此選用LM2596SDC-DC降壓模塊得到3．3V電源。

1．2、主控制器模塊

本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6作為主控制器，該控制器是一種基于Cortex-M3內(nèi)核的32bCPU，最高工作頻率為72MHz，片上集成32～512kB的Flash存儲器，6～64kB的SＲAM存儲器。片上集成了SPI，I2C和USAＲT等通信接口，方便對MPU-6050姿態(tài)檢測傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。含有7個定時器，可輸出多路PWM信號使得電機(jī)驅(qū)動模塊獲得穩(wěn)定的PWM波形。

1．3、姿態(tài)檢測模塊

本系統(tǒng)中姿態(tài)檢測模塊選用的是美國InvenSense公司的MPU-6050，MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動處理器，整合了3軸陀螺儀和3軸加速度計，能夠準(zhǔn)確的對小車的姿態(tài)進(jìn)行實時檢測［4］。該處理器的角速度感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/s，加速度感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g，加速度感測范圍可通過編程來控制［5］。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓為（2．5±0．125）V、（3．0±0．15）V或（3．3±0．165）V，本系統(tǒng)中為MPU-6050提供的是3．3V直流電源。MPU-6050模塊的電路如圖2所示，本系統(tǒng)中MPU-6050作為從機(jī)使用，使用SDA和SCL端口和主機(jī)STM32進(jìn)行通信，MPU-6050檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置的16位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將16位數(shù)字量通過I2C總線接口發(fā)送給主機(jī)。

圖2 ?MPU-6050模塊的電路