平衡车在消防模拟系统中的应用

平衡车在消防模拟系统中的应用

宋文夺

锦州佑华硅材料有限公司 辽宁省锦州市 121000

摘要随着现代科学技术的迅猛发展，机器人在国防、工业生产、百姓生活等领域得到广泛应用。可以预见，机器人技术的发展将对人们的生产生活产生更为深远的影响。因为两轮平衡车的特殊结构，体积小，运动灵活，适应地形变化能力强，可以方便的实现零半径、狭窄、危险的空间活动。因此，本课题将基于蓝牙的两轮自平衡车应用到消防模拟系统中。通过蓝牙把数据发送到手机APP上，完成室内环境下的同步定位、地图（轨迹）建立和周围环境的具体信息的采集。

关键词：两轮自平衡车，STM32，卡尔曼滤波，PID算法，MPU6050

1.1系统概述

本课题设计了基于蓝牙控制的两轮自平衡小车的系统设计，实现了两轮的控制和蓝牙控制。系统使用STM32微控制器作为核心控制单元，通过添加各种传感器，使用MPU6050小车数据的态度，通过卡尔曼滤波算法获得小车的加速度和速度更稳定，使用PID算法真正PWM值后，通过TB6612直流电机驱动模块有效地控制电机转速和转向，使车的平衡。相应的电路设计，编写相应的程序来完成平衡控制和蓝牙控制。通过编码器获得两轮速度信息。闭环控制速度和倾角是基于所获得的数据。添加蓝牙通信控制，覆盖所有输出数据，输出到驱动芯片，并控制小车。

1.2关键技术

1.2.1 系统设计

两轮自平衡车的系统设计包括：车身机械结构设计，硬件系统设计和软件系统设计。在机械结构上保持小车重心的稳定性，才能减少控制系统由于车身机械结构的不合理性而造成的控制复杂化；硬件系统必须包含自平衡车所需的所有电子系统与电气设备；软件系统则具体负责车身平衡控制。

1.2.2 数学建模

为了准确控制车轮转动，保持小车始终稳定的直立平衡，需要对自平衡车进行运动学分析并建立其数学模型，从而更好的设计控制系统。

为了更加直观的分析系统受力情况，下面将直立小车与单摆模型进行对比说明小车的受力情况。

重力场中使用细线悬挂的重物经抽象化便形成理想化的单摆模型，两轮自平衡车可以看作一级倒立摆模型进行分析。

1.2.3姿态检测

平衡车的两轮平衡，顾名思义，它不是平衡的系统，所以想要掌握汽车的系统的精确控制必须依靠位置检测系统的身体姿态、平衡和精确检测的运动状态。因此，我选择了一种由惯性传感器制成的姿态探测系统，如陀螺仪和加速计，以实时和精确地测量身体的角度。但由于惯性传感器的固有特征，与外部世界的变化,如温度、振动，可以产生不同程度的影响和错误，所以必须使用滤波算法,以减少陀螺仪漂移和车身摇摆车的加速度计，获得准确的车身角，加速度计和陀螺仪的输出值集成、系统使用卡尔曼滤波数据融合算法。卡尔曼的过滤器是一种高效的递归过滤器(自动回归过滤器)，它可以从一系列不完整的噪声测量中得到，以估计动态系统的状态。当双轮自平衡小车产生时，系统采用PID控制算法，通过将车身角和角速度轮廓相结合，输出PWM信号驱动电机，保持汽车动态平衡，其结构图。

2.1主控芯片

本控制系统主要由下面几个模块构成：STM32F103C8T6单片机系统、电源管理模块、车身姿态感应模块、电机驱动模块、蓝牙通信模块、环境信息采集模块、手机控制终端。

系统采用STM32F103C8T6单片机主控制芯片，TM32F1属于低端32位ARM微控制器系列，该系列芯片是意法半导体(ST)公司，使用32位单片机Cortex － M3内核，架构(M3 CPU支持两种操作模式，线程(Thread Mode)和处理模式(Handler Mode)，重要的是要注意，这两个模型都有单独的堆栈。该设计允许开发人员进行更复杂的编程，并对实时操作系统提供更好的支持。Cortex-M3处理器还包括一个24位自动重新加载的计时器，它为内核提供了一个周期中断，其最大工作频率为72MHz。在芯片上，64KB的闪存和20KB的SRAM内存被集成。同时，SPI、USART、I2C等通信接口集成。

2.2 电源管理模块

电源管理模块为整个硬件电路提供必要的电源，它的稳定性是整个硬件电路可靠运行的基础。系统包含 12V、5V、3.3V 电源。采用YouMe22mah，40C型号，12V的航模电池，同时也是直流电机的供电来源。该电池具有高容量、高比例、连续放电、稳定、使用寿命长等特点。电机驱动模块和蓝牙通信模块由5V驱动，5V电源是通过LM2596获得的。STM32主芯片的电源为3.3 V，5V通过AMS1117。

2.3 车身姿态感应模块

在先前的理论分析中，为了控制汽车的稳定性，需要对汽车的尺寸大小、角度和角速度进行精确的测量，并控制车轮的加速度，以消除汽车的倾斜。所以汽车倾角的测量和角度倾角的角度是保持汽车竖直方向的关键。测量汽车的倾角和角速度可以通过加速计和陀螺仪来实现。

3.1编译环境介绍

本设计应用的是keil公司于2013年10月发布的Keil μVision5编译环境 ，Keil提供包括C编译器、宏汇编器、链接器、库管理和强大的仿真调试器在内的完整开发计划，通过集成开发环境(μVision5)将这些部分结合起来[3]。它具有方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具。

3.2软件系统总体结构

前几章介绍了双轮自平衡小车的硬件电路设计。本章将介绍两轮自平衡车的软件设计。软件设计是双轮自平衡车设计的关键。

根据系统要求，需要完成的整体软件设计包括:直流电机的系统初始化、姿态信息采集、卡尔曼滤波、速度检测、PID控制算法。

3.2.1 A/D转换模块初始化

本系统涉及到多传感器的数据采集及控制，传感器输出信号为模拟量信号，因此需要通过模数转换单元转为数字量后交与单片机处理。由于系统精度不可能高过检测精度，因此对模数转换单元有着较高的要求。STM32F103C8T6单片机内部自带模数转换模块，其最高精度为12bit，完全可以满足本系统对传感器信号采集的要求。设置模数转换模块：12位精度，4通道连续采样，采样时间12MHz，非中断触发。

总结 本文设计了一个基于蓝牙控制的两轮自平衡小车系统。通过蓝牙将现场采集的数据实时传输到手机APP上，完成室内环境下的同步定位、地图（轨迹）建立和周围环境的具体信息的采集。

该系统基于STM32F103C8T6微处理器为主控制器，以MPU6050传感器为姿态检测部件的自平衡小车系统。采用卡尔曼滤波算法和双环PID控制算法，对汽车进行自平衡控制。试验结果表明，利用卡尔曼滤波算法可以有效地消除测量噪声和随机漂移误差过程中的加速度计和陀螺仪表，准确地计算出汽车的姿态角。采用双闭环PID控制算法可以实时地将倾角和速度值与当前值的角度和速度进行比较，根据实时闭环控制中的误差信息，使汽车达到稳定的平衡状态。采用高性能微处理器，使卡尔曼滤波算法和PID控制算法能够快速完成，提高实时数据采集和控制，提高系统的稳定性和抗干扰能力。

参考文献

［1］崔军，喷雾机器人运动控制与重喷漏喷显［D］．江苏：江苏大学，2006．

［2］刘金栋，高荣．基于光电传感器的循迹车设计与实现［J］．《数字技术与应用》 ，2014 (1) ：148-148 ．

［3］杨鹏宇 ．实验教学型自动导向车机电系统研制［D］．合肥，合肥工业大学，2009．

［4］陈桂友．单片微型计算机原理及接口技术［M］．北京：高等教育出版社，2012．

［5］陈桂友． 增强型8051单片机实用开发技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2010．

［6］高君，何毅，张欲立，等． 某型火炮电解液沉淀池PID温度控制［J］．《新技术新工艺》 ， 2013 (3) ：107-109．