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双轮平衡车控制系统的设计摘要随着时代的发展，人们生活质量的提高，双轮平衡车已经成为越来越流行的交通工具，目前双轮平衡车的发展已经成为未来交通工具发展的重要方向。
在实际使用中，双轮平衡车的反应速度，稳定性已是制衡双轮平衡车使用体验的最重要指标。
为双轮平衡车提供一种高效准确的运动控制系统成为了拓展其应用范围的前提。
本文是在基于嵌入式微处理器平台上，选择姿态传感器，设计了一种低成本、高性能、高准确性的双轮平衡车的控制系统。
本文首先从双轮平衡车的理论基础开始研究双轮平衡车的控制系统，依据现代受力分析和动能理论对车体进行数学建模，在数学模型的基础上设计合理的控制算法。
之后设计双轮平衡车机械结构，主要分为车轮、车架、电机等机械结构。
在设计平衡车硬件电路时，主要使用ARM结构的微处理器处理算法并且控制整体电路模块，使用高效的姿态传感器MPU6050采集车体的姿态信息，采用电机驱动芯片驱动电机。
最后编制双轮平衡车控制系统的程序，采用卡尔曼滤波算法对采集到的姿态信息进行抗干扰处理。
通过计算，主控制器输出PWM波驱动电机维持系统整体稳定并保持姿态平衡。
本次设计实现了抗干扰能力强和高效稳定的平衡车控制系统，该平衡车系统不仅平稳运行，并可以成功从不稳定状态恢复平衡，基本实现了基本功能。
本次设计可以使双轮平衡车这种交通工具更好的符合人们的日常需求。
关键词双轮平衡车；数学模型；PID控制；卡尔曼滤波- I -Design of the Control System ofDoubleWheel Balance CarAbstractWith the development of the times,people's living standards gradually improve.Thedouble wheel balance car has become amore popular part in modern transportation field.The response speed and stability of the two double balancecars has gradually become an important index of check and balance the double wheel balance vehicle technical performance. For the two-wheel balancing car provides an efficient and accurate motion control system became the premise of expanding the scope of its applicationThis paper is based on embedded microcontroller processor platform,choice attitude sensor, designed a low cost, high performance, high accuracy ofthedouble wheel balancing car control system.This paper begins with the theory of two wheel balancing car.According to modernforce analysis andenergy theory to design a mathematical model. According to the mathematical model todesign reasonable control algorithm. Second, design a Reasonable mechanical structure, including wheels, frame and motor. Now the most important thing is to design the hardware circuit. The ARM structure is used as the main control unit, it is mainly used for the operation and control of other units. Using an efficient attitude sensor to collect right attitude information, this paper select MPU6050 as the attitude sensor. Motor drive chip is used to drive two motors. Finally, this paper programs the two wheel balance control program. Filtering the collected information by Kaman filtering. After calculation, the main controller outputs the PWM wave to drive motor to maintain the overall balance of the car body.The double wheel balance car has Strong anti-interference ability.The double wheel balance car can maintain body balance, it can quickly restore balance.It accords with basic conditionsand greatly improves the stability of the whole system. Achieve the basic function;the double wheel balance car meets the People's daily life.- II -Keywords double wheel balance car; mathematic model; PID control; kalman filtering- III -目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国内外双轮平衡车的发展现状 (2)1.3主要研究内容 (3)第二章系统总体设计及技术介绍 (5)2.1双轮平衡车总体设计方案 (5)2.2双轮平衡车受力分析以及动力学模型 (6)2.2.1双轮平衡车平衡的基本原理 (6)2.2.2车轮受力分析 (7)2.2.3车身受力分析 (9)2.2.4系统动能分析 (11)2.3PID控制算法 (16)2.3.1 PID控制系统简介 (16)2.3.2 PID控制算法原理 (16)2.4卡尔曼滤波算法 (22)2.4.1卡尔曼滤波简介 (22)2.4.2卡尔曼滤波原理 (23)2.4.3卡尔曼滤波实现 (24)2.5本章小结 (25)第三章系统硬件设计 (26)3.1双轮平衡车系统结构设计 (26)3.1.1平衡车机械机构设计 (26)3.1.2平衡车控制系统硬件设计方案 (27)3.2主控制器应用电路设计 (28)3.2.1Stm32处理器简介 (28)3.2.2主控制模块 (29)3.3无线通信模块电路设计 (30)3.3.1无线通信模块简介 (30)3.3.2无线通信模块 (31)3.4电源电路设计 (31)3.5硬件中的抗干扰措施 (33)3.6电机驱动电路设计 (33)3.7姿态传感器模块 (36)3.8本章总结 (38)第四章系统软件设计 (39)4.1软件设计总框图 (39)4.2电机测速方法 (41)4.2.1M法测速 (41)4.2.2T法测速 (42)4.3MPU6050通信程序 (42)4.4通信程序的设计 (43)4.5卡尔曼滤波程序设计 (44)4.6PID算法程序设计 (46)4.7本章小结 (47)第五章双轮自平衡车测试 (48)5.1双轮平衡车调试 (48)5.2PID控制系统测试 (48)5.3抗干扰试验 (50)5.4本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (54)攻读硕士学位期间发表的学术成果 (57)致谢 (58)第一章绪论1.1课题研究背景及意义在当今世界，人们的交通方式的发展有着多样化的趋势，特别是时代的进步和发展，人们的交通工具已经不能只考虑速度、体积等方面，人们需要更可以用传感器反馈分析和智能控制和规划的自主交通工具[1]。
第17期2023年9月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:祝必梁(1988 ),男,浙江金华人,工程师,硕士;研究方向:物联网,两轮电动车智能化㊂智能两轮电动车VCU 中控系统设计祝必梁(浙江利尔达物联网技术有限公司,浙江杭州311121)摘要:VCU 是实现车辆控制决策的核心电子控制单元㊂文章介绍的两轮电动车VCU 在防盗器功能上结合了GPS 定位㊁GPRS 网络通信㊁BLE 蓝牙通信控制系统㊂VCU 配合云服务器㊁手机终端可以实现数据实时查看,GPRS 网络通道可以实现远程控制车辆,近场无网络时可以用BLE 蓝牙通道控制车辆㊂关键词:智能中控;VCU ;电动车中图分类号:TP319㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀电动车智能化已慢慢从新能源汽车衍生到两轮电动车上[1]㊂传统两轮电动车智能化体验弱,随着客户对两轮电动车智能化的接受程度越来越高,智能改造升级也跟随新能源汽车的脚步不断升级㊂据中国自行车协会数据,2021年电动两轮车保有量为3.4亿辆,市场规模达800亿元㊂但整个行业智能化渗透率不足5%,市场前景广阔,智能化转型升级正处于风口中㊂1㊀系统整体设计概述㊀㊀VCU 中控系统主控由BLE 芯片FR8018HA 和CAT1模组NT26U 组成㊂FR8018HA 芯片支持Open 开发,负责BLE 通道的通信和VCU 控车全部逻辑㊂NT26U 是一款适用于TDD -LTE/FDD -LTE 多网络制式CAT1模组㊂NT26U 也支持Open 开发,主要负责GPRS 网络通道通信和GPS 数据采集㊂除了BLE 通道和GPRS 通道通信外,VCU 还有和电机控制器通信的485通道㊂2㊀主控模块2.1㊀CAT1模组NT26U㊀㊀NT26U 是利尔达的CAT1模组,供电电压为3.3~3.8V,采用FreeRtos 系统㊂CAT1和BLE 芯片通过UART 串口交互,CAT1串口接收的BLE 数据并通过GPRS 网络通道上传服务器,服务器数据下发CAT1数据透传给BLE 芯片,这样就间接实现了BLE 主控芯片和服务器网络通信㊂服务器原始定位信息是由定位模组L76K 通过NMEA 数据输出给NT26U,NT26U 对数据解析后上报给服务器㊂2.2㊀BLE 芯片FR8018HA㊀㊀FR8018HA 是富瑞坤的BLE 芯片,支持蓝牙V5.1㊂VCU 中控所有的控车主逻辑都由FR8018HA 芯片控制完成㊂BLE 芯片的外部通信部件有:手机㊁电机控制器㊁433钥匙㊂手机无网络状态可以选择BLE 通道和VCU 通信㊂电机控制器接收VCU 485查询指令,返回包括速度㊁里程等信息,485模块由FR8018HA 主控㊂433无线钥匙的解码信号是输出给BLE 芯片解析识别㊂VCU 中控基本控车功能有:电门ACC 控制㊁锁电机㊁轮动检测㊁一键启动按键㊁超速报警㊁震动检测㊁语音播放㊂FR8018HA 主控功能,如图1所示㊂图1㊀FR8018HA 主控功能3㊀GPS定位模块㊀㊀GPS定位模块采用L76K模组,模组电压范围为2.7~3.4V,典型值为3.3V㊂L76K可实现高灵敏度㊁高精度定位以及对定位信号的快速跟踪和捕获㊂L76K启动后定时1s输出NMEA0183数据㊂NMEA 0183是美国国家海洋电子协会为全球定位系统制定的一套标准通信协议㊂4㊀外设通信模块㊀4.1㊀433M无线模块4.1.1㊀发送模块㊀㊀电动汽车的遥控钥匙大多采用433M小无线通信㊂小无线通信需要一个发送端,一个接收端,一发一收实现数据传输通信[2]㊂发送端以遥控钥匙形式存在,采用专用的编码芯片设计,以HS5130为例:按键输入引脚K0~K3,供电引脚Vin/Vss,编码输出脚TXD㊂4.1.2㊀接收模块㊀㊀接收端接收433无线信号输出解码信号㊂解码信号输入给BLE芯片软件解析㊂中控接收模块采用集成YRB45超外差无线接收模块㊂按照发送的编码数据,字码波形有3种位码:(1)同步位syn码㊂高电平8.8a,低电平272.8a㊂(2)数据位 0 码㊂高8.8a,低26.4a㊂(3)数据位 1 码㊂高26.4a,低8.8a㊂a=35μs(可调)位码先发高电平后发低电平㊂每一帧信号字码有25位,其中有20位地址位,4位数据位和一个同步位组成㊂应用中接收端有很多无序干扰信号,BLE芯片须经过软件滤波提取正确的433信号㊂首先,需要滤除干扰信号查找syn码㊂观察有效波形和干扰波形得知有效波形syn码两个上升沿之间的脉宽是T=281.6a,a=35μs,T=9.8ms㊂干扰波形杂乱无序上升沿和上升沿的间隔大都没达到9ms,查找syn时有效条件T1上升沿间隔9~11ms,它可滤除基本干扰波形,识别到正确的syn㊂其次,需要识别data位㊂data位的位宽都是35.2a, 1 码在上升沿后17.6a的电平是高电平, 0 码在17.6a的电平是低电平,通过上升沿中断间隔17.6a采样电平就可以判断出当前数据位码㊂正常检测到一帧24位码后存储数据重新开始syn检测,采集数据时如果存在干扰信号超时70.4a没有检测到上升沿就认为异常,重新开始检测syn㊂433解码软件流程如图2所示㊂4.2㊀BLE通信㊀㊀BLE和App的交互包括3部分:BLE连接㊁鉴权㊁应用数据收发㊂BLE建立连接包含5个步骤:(1)从机广播发送ADV_IND PDU(包含了从机蓝牙地址)㊂(2)主机发送扫描请求SCAN_REQ PDU(包含了从机和主机蓝牙地址)㊂(3)从机收到扫描请求后同一个信道上回复SCAN_RSP PDU㊂(4)主机接收到扫描回复信息后发送CONNECT_REQ PDU信息㊂图2㊀433解码流程(5)广播者接收到CONNECT_REQ PDU后确认建立连接㊂系统层连接后App和BLE要进行鉴权确认双方身份合法㊂鉴权流程通过AES等对称加密方式实现消息认证㊂通信双方共享一个对称密钥,由发送方生成一个MAC值,附在消息后面,接收方计算收到消息的MAC㊂如果和收到的MAC一致,则说明没有被篡改,并且能确认发送方一定拥有相同的密钥,即认证身份㊂鉴权成功App就可以和BLE进行应用数据的交互控制车辆㊂4.3㊀GPRS通信㊀㊀GPRS通道和服务器的交互也包含3个过程: (1)智能设备主动向IoT平台发起TCP连接,与Slot 服务器建立TCP Socket连接㊂(2)连接IoT平台后,发送认证平台请求,上传OpenID㊁ProductID以及ProductKey认证平台的身份㊂成功认证平台身份后,向平台发起入网请求㊂(3)成功入网后,设备与应用便可以进行数据交互㊂4.4㊀485通信㊀㊀骑行数据行驶总里程㊁单次里程㊁行驶的速度以及电机控制器状态等信息需要VCU中控通过485定时查询电机控制器信息获取㊂485属于半双工差分信号,可实现多机通信,VCU目前只连接了电机控制器,按照不同需求可以扩展连接实现多机通信[3]㊂5㊀基本控车㊀㊀ACC控车电路用于对整车启动㊁熄火控制㊂检测ACC电路用于确认车辆的电源实际开关状态[4]㊂ACC控车原理如图3所示㊂ACC_Ctrl连接BLE芯片IO输出脚,输出高电平VBAT_ADC(电源电压)通过MOS管Q9导通到ACC 给整车供电,输出低电平Q9管断开,熄火㊂ACC_Det图3㊀ACC控车及检测原理连接BLE芯片IO输入脚,当ACC上有电源电压时,检测到低电平,ACC没有输出时检测到高电平㊂项目中ACC控制的命令入口有433钥匙㊁App㊁一键启动㊁机械钥匙㊂前3种都是通过VCU控制ACC_Ctrl来实现,机械钥匙是通过电池电源直接接入ACC打开整车电源㊂这里需要注意少数车型熄火时由于有较大车载电容而放电较慢,这时无论ACC_ctrl 还是机械钥匙关闭电源,到ACC_Det识别从低电平到高会有一个延时时间,从而影响关机音效和LED 熄火指示㊂实际测试中车载电容大熄火时ACC也会马上掉到12V以下,然后放电变缓最终掉电到0.5V 以下需要1s的时间㊂如果需要兼容这种车型ACC 检测电路可以调节电阻R67㊁R71把Q11的导通电压控制在ACC18V以上㊂如Q11VGSon>1V导通则R67可选51k,R71选3k,ACC=18V时VGSon=18ˑ3/54=1V㊂电压掉到18V以下ACC_Det就会立刻识别到车辆熄火状态,中控工作电压是24~90V也㊀㊀不会对正常的ACC输出有影响㊂VCU其它控车还有一键启动,包含两部分:按键读取和LED驱动㊂按键读取就是普通开关检测,检测到低电平认为开关按下㊂LED驱动原理和ACC控制输出原理一致,设防LED熄灭,撤防1s慢闪,启动常亮㊂轮动信号检测:检测到下降沿是认为处于骑行状态,如果规定时间内没有检测到下降沿则认为是处于静止状态㊂超速报警检测:新国标电动车需要有超速报警提示功能[5],中控只需要检测电机控制器输出超速提示IO电平即可,高电平输出报警声㊂震动检测:震动时内部弹簧会不断地将传感器两个接口像开关一样导通断开,VCU中控通过检测IO电平边沿变化判断车辆的震动状态㊂6㊀结语㊀㊀VCU中控不仅含有传统控车,还有GPRS网络通道和BLE蓝牙通道控车功能,可提高用户智能化体验㊂参考文献[1]黄晓东,许丰,邱亚楠,等.电动自行车智能化现状发展与未来[J].新能源科技,2015(6):18-22. [2]王志霞.基于MSP430的433MHz无线收发模块设计[J].办公自动化,2020(24):29-30.[3]石飞,王甲,阮颐.一种实现无极性RS-485通信的探讨[J].集成电路应用,2018(6):18-20. [4]李亚勇,蔡英凤,陈龙,等.考虑前后方车辆行驶状态的ACC系统控制方法[J].汽车工程,2019(8): 865-871.[5]黄鑫.电动自行车新国标出台有望减少超标车引发的事故[J].新能源科技,2018(2):12-13.(编辑㊀姚㊀鑫)Design of VCU central control system for intelligent two wheel electric vehiclesZhu BiliangZhejiang Lierda Internet of Things Technology Co. Ltd. Hangzhou311121 ChinaAbstract VCU is the core electronic control unit that implements vehicle control decisions.The two wheeled electric vehicle VCU introduced in this article combines GPS positioning GPRS network communication and BLE Bluetooth communication control system in terms of anti-theft function.VCU in conjunction with cloud servers and mobile terminals can achieve real-time data viewing GPRS network channels can achieve remote control of vehicles and BLE Bluetooth channels can be used to control vehicles when there is no network in the near field.Key words intelligent central control VCU electric vehicle。
第17期2023年9月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023基金项目:南宁学院应用型课程(专创融合)项目;项目名称:单片机应用技术;项目编号:2022XJYYZ07㊂作者简介:梁家耀(2000 ),男,广西北流人,本科;研究方向:自动化控制㊂∗通信作者:吴子勇(1987 ),男,广西北海人,助教,硕士;研究方向:嵌入式应用,电子信息对抗㊂基于MM32的两轮平衡车控制系统设计梁家耀,吴子勇∗,周文骏,李庆年(南宁学院,广西南宁530200)摘要:随着诸如电池技术㊁自控控制理论等技术的发展,各个学科之间相互渗透与融合㊂很多自动化产品往往涉及多个学科的融合,诸如移动便携式两轮平衡车,便是一个融合多学科的设备,在逐渐走进人们的日常生活㊂文章介绍了一种基于MM32的两轮平衡车控制系统设计,并从硬件设计和软件设计两方面具体阐述两轮平衡车的实现㊂该设计主要以MPU6050作为两轮平衡车的姿态检测模块来调整平衡倾角的大小,并选用单片机MM32F3277G9P 作为主控芯片驱动电机产生前进或者后退的加速度来维持小车的平衡的状态,从而实现两轮平衡车直立㊁加速前进和转弯等基本功能㊂关键词:平衡车;MM32;姿态检测;直立中图分类号:TP273+.2㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言㊀㊀随着诸如电池技术㊁自控控制理论等技术的发展,移动便携式机械设备逐渐走进日常生活㊂其中,两轮车由于轻便及反应敏捷,越来越受欢迎[1]㊂但由于两轮平衡车具有不稳定㊁多变量㊁非线性㊁强耦合等特性,两轮平衡车的转弯角度有较大的偏差㊂在实际使用过程中,传感器信号的采集和姿态的采集不正确,导致电机输出转速过大或过小,继而导致其转弯出现较大的偏差㊂其次,平衡车无法准确识别行进过程中的路障㊂两轮平衡车在行进过程中遇到障碍物时,不能及时作出反应㊂在障碍物处行驶时,需要根据障碍物的特征进行判断㊂两轮平衡车在行进过程中遇到的障碍物种类繁多,包括砖墙㊁水泥块㊁树枝㊁轮胎等㊂由于上述问题,本文在进行控制系统设计时,考虑到传感器㊁自动控制等相关技术,采用 动态稳定 技术作为技术支持,以MM32为核心,通过陀螺仪和加速度传感器来检测车体的姿态及运动状态[2],通过得到系统恢复平衡所需的实时控制量,然后通过相关算法从而精确地驱动电机进行相对应的调整,使得小车维持一种 动态平衡 [3],并结合摄像头来识别路障㊂该系统由硬件和软件两部分组成㊂硬件部分包括电机㊁电源㊁陀螺仪和加速度传感器等;软件部分包括单片机程序和图像采集处理程序㊂经过系统设计,各个模块能够正常运行并协调工作,实现了两轮平衡车直立㊁加速前进和转弯等功能㊂1㊀系统硬件设计㊀㊀该系统的硬件部分包括了MM32控制模块㊁电源模块㊁MPU6050传感器模块㊁编码器模块㊁摄像头和红外线模块㊁电动机的驱动模块等㊂传感器的信息采集是一个关键的步骤㊂利用陀螺仪和加速度计,可以获得小车的姿态和加速度信息,从而对小车的倾角和方向进行计算㊂之后,再采用与之相适应的控制策略,将计算出的控制信号输出到电机驱动模块,从而使小车保持平衡并继续前进㊂其系统硬件框架如图1所示㊂图1㊀系统硬件框架1.1㊀单片机模块㊀㊀本设计系统选用MM32F3277G9P 作为核心控制器㊂该控制器以ArmCortex -M3为内核,是一款高性能的MM32系列单片机,在时钟控制方面表现出很好的性能㊂其时钟系统的最高工作频率达到了120MHz,可以满足处理复杂数据的需要㊂MM32F3277G9P 的通信接口由3个USART ,3个SPI ㊁2个IIC㊁2个CAN㊁1个USB 端口组成㊂该单片机的通信接口具有以下特征:支持SPI 总线通信,可以直接驱动外部设备;支持USB 接口通信,可以直接驱动外部设备㊂所有通信接口都是标准的串口㊂MM32F3277G9P 具有14个定时器,其中4个是通用定时器,10个是高级定时器,能够适应各种需要㊂该系统适用于-40ħ至105ħ的环境㊂1.2㊀电源模块㊀㊀本系统采用11.4V /3300mAH 可充电锂电池作为电源,驱动电机工作㊂平衡车系统主控等电路工作电压为5V,MPU6050传感器工作电压为3.3V㊂在整个设计过程中,由于不想占用更多的PCB面积,需要使用固定输出稳压器进行稳压,但是由于平衡车系统需要频繁充电,所以需要选择一款内部带有限流和短路保护的3.3V固定输出稳压器㊂经过多款稳压器的比较,最终选择了SPX3810M作为本设计中的3.3V固定输出稳压器㊂SPX3810M是一款内部带有限流和短路保护的3.3V固定输出稳压器㊂它工作电压范围为4.5V~28V,静态电流非常低,为65μA㊂该设计中的低功耗应用需求,可以将5V电源转换为3.3V,给MPU6050芯片供电[4]㊂1.3㊀平衡传感器模块㊀㊀平衡车的姿态检测主要采用MPU6050传感器㊂MPU6050是一款6轴运动处理芯片,可以同时测量加速度和角速度,通过内部处理器进行数字信号处理㊂MPU6050内部集成了3轴陀螺仪㊁3轴加速度传感器,其中3轴陀螺仪能够进行ʃ250ʎ/s㊁ʃ2000ʎ/s4种模式的测量,3轴加速度传感器则可以进行ʃ500ʎ/s的测量㊂本设计通过串口将数据发送给处理器,处理器可以对数据进行分析,然后显示出3个加速度的数值[5]㊂3个轴的加速度传感器的测量范围分别为:ʃ2g㊁ʃ4g㊁ʃ8g㊁ʃ16g㊂在3个轴上,本设计可以对小车进行运动和姿态的测量㊂该芯片本身带有一个1024位的先进先出寄存器,用来储存来自陀螺仪和加速度计的数据,以及对串行数据进行高速缓存㊂该芯片内置了DMP(Digital Machine Processor)硬件加速引擎,并将完整的融合计算数据通过主要的IIC接口输出到应用端㊂1.4㊀摄像头和红外接收盘㊀㊀为了能够充分地识别行进过程中的道路障碍,本研究设计了摄像头电路㊂在摄像头的安装上,为了能够让摄像头固定在一定高度,本设计采用了热熔胶将摄像头固定在一定高度,然后用热熔胶将摄像头粘住㊂对于每个摄像头的仰角也进行了适当地调整㊂其调整原则是能够充分地识别道路障碍㊂在摄像头固定的杆子上,本设计采用了碳纤维管作为安装摄像头的材料,并用底座与支架将摄像头固定下来㊂另外,为了实现行进过程中识别道路障碍并寻找灯源的功能,本方案设计了1个融合摄像头的三端16路红外接收,用FPC软排线与主控板连接,将16路红外接收放置于摄像头上方㊂16路红外接收放置在摄像头上方,既能够让摄像头采集到的数据更准确,同时也使整个系统更加美观㊂为了进一步验证小车整体的平衡性,本研究在实验室的模拟道路上设计了路障和灯源,通过观察小车的识别路障和灭灯情况,从而观察小车的直㊁转弯避障和加速行进灭灯㊂其中,路障和灯源的识别主要通过龙邱的LQ9V03摄像头和红外盘来实现,首先使用摄像头拍照处理,经过软件算法处理以及二值化处理,然后得出路障和灯源的位置,最后完成避障和灭灯㊂接收盘外观如图2所示㊂图2㊀红外接收盘1.5㊀电机驱动模块㊀㊀电机驱动电路采用BTN7960双路全桥大电流驱动芯片,其电源电压范围为5.5V~28V,工作温度为-40ħ~150ħ㊂该芯片工作电压范围宽,可根据实际需要配置工作电压㊂它可以控制2个外部MOSFET管(其中,一个控制电机的方向,另一个控制电机的速度),通过控制这两个外部MOSFET管将电机的方向和速度进行控制㊂同时,采用光耦隔离,以保护单片机不被功率部分的大电流所损坏㊂在该模块中,电机驱动电路由2个光耦芯片和4个电机组成㊂单片机通过输出4路PWM进而控制2个电机以实现电机的正转和反转㊂1.6㊀编码器㊀㊀本文采用了龙邱的迷你mini1024线编码器㊂在编码器上设计了一个光电传感器,编码盘上刻有一系列的透明和不透明的突起点,当编码盘旋转时,光电传感器会读取并转换这些突起点所产生的光信号,最终转化为旋转轴的转角和方向信号㊂本编码器采用增量式测速,直接方向输出,兼容正交解码㊂由于本编码器只需一块主控MM32便能够简单地实现2个电机的同时测速㊂在实际的使用过程中,本设计发现本编码器的安装较为简单,只需要将编码器固定于配套的编码器支架上即可㊂本编码器采用增量式测速,所以本设计可以将编码器设置为相同的精度㊂为了尽量使得传动齿轮之间保持平行,在编码器中本设计尽量将齿轮间距调小一些,尽可能使得传动齿轮之间保持平行㊂这样可以使得传动部分更加轻松㊁流畅㊂本编码器长时间使用不会出现过大噪声和丢数情况㊂2 系统软件设计㊀㊀系统上电后,首先对系统时钟㊁GPIO㊁IIC㊁定时器㊁正交解码㊁串口和MPU6050及各模块相应的函数进行初始化,然后进入等待接收指令的循环状态㊂在循环中,调用MPU6050传感器模块子程序,对小车的倾斜角度进行检测和采集,然后根据采集到的信息利用角度控制函数进行平衡控制㊂为了使系统能够有序地执行各个子模块,在主程序中,传感器信号的采集㊁电机转速的读取㊁小车直立控制㊁小车方向控制等放入一个定时器中断服务程序中完成,用一个全局变量进行计数,则可实现系统各个子模块有序地执行㊂为了使小车能够正常稳定地行驶,微处理器不断地采集小车的姿态及运动状态,通过中断来判断小车是否需要执行加速㊁减速㊁停止和转弯等基本操作㊂程序流程如图3所示㊂图3㊀程序流程3㊀实验结果㊀㊀在单片机MM32F3277G9P 的控制下,小车自身通过电机的驱动作用和其他模块的协调作用,实现了小车自身的平衡㊂小车直立状态如图4所示㊂图4㊀小车直立平衡状态4㊀结语㊀㊀本文主要是以MM32作为主控芯片,进行了两轮平衡车控制系统的设计与实现,对于两轮平衡车的硬件和软件进行了相关的构思和设计㊂在实践过程中,小车各模块能够正常工作,对小车的状态采集实时性好㊂本设计在小车直立㊁加速前进和转弯等基本功能的实现过程中,取得了很好的效果㊂参考文献[1]高正中,龚群英,宋森森.基于STM32的智能平衡车控制系统设计[J ].现代电子技术,2016(14):47-48.[2]陈元威,康泽威.基于STM32的自平衡车控制系统设计[J ].仪表技术,2020(12):20-22.[3]林关成.基于STM32的智能平衡小车控制系统设计[J ].信息技术,2021(2):44-49.[4]初宏基,董玉.基于单片机的双轮自主平衡车控制系统设计[J ].科学技术创新,2018:20-21.[5]王世峰.基于STM32自平衡车系统设计[J ].北京信息科技大学学报,2017(6):74-78.(编辑㊀王永超)Design of two -wheel balancing control system based on MM 32Liang Jiayao Wu Ziyong ∗ Zhou Wenjun Li QingnianNanning University Nanning 530200 ChinaAbstract With the development of technologies such as battery technology and control theory different disciplines are infiltrating and merging with each other.Many automation products often involve the integration of multiple disciplines such as mobile and portable two -wheel balancing cars which are gradually entering people s daily lives.This paper introduces a two -wheel balancing car control system design based on MM32 and specifically elaborates the implementation of the two -wheel balancing car from the aspects of hardware design and software design.The design mainly uses MPU6050as the attitude detection module of the two -wheel balancing car to adjust the balance angle and selects the MCU MM32F3277G9P as the main control chip to drive the motor to produce acceleration for forward or backward motion to maintain the balance state of the car thus realizing the basic functions of the two -wheel balancing car such as standing upright accelerating forward and turning.Key words。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘要以全国飞思卡尔智能车大赛为背景的智能车摄像头控制系统是本论文的重点。
文中主要介绍了智能车的整体框架、软件设计、摄像头图像采集模块、光电编码器速度采集模块、执行模块电路设计、以及电源管理模块。
在硬件设计方面，自行设计实现了系统的电路板。
在软件方面，软件系统以飞思卡尔16位单片MC9S12DG128作为系统控制处理器，软件平台为CodeWarrior IDE 开发环境，采用CMOS数字摄像头OV6620获取实时赛道信息，通过边缘检测方法提取赛道黑线，求出小车与黑线间的位置偏差，采用PD控制算法对舵机转向进行控制。
通过自制测速器实时获取小车速度，采用P控制策略形成速度闭环控制。
从控制算法、视频采集和图像处理以及车体控制几个方面来了解控制原理。
关键字：飞思卡尔单片机、摄像头、视频采样、PID控制┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractsThe National Competition for the background of Freescale's Smart Car smart car camera control system is the focus of this paper. This paper describes the overall framework for intelligent vehicles, software design, camera image acquisition module, the optical encoder speed acquisition module, the implementation of circuit design and power management module. In hardware design, design and implement their own system of circuit boards. In terms of software, software system to Freescale 16-bit single-chip control processor as the system MC9S12DG128, software platform development environment for the CodeWarrior IDE, with OV6620 CMOS digital camera for real-time track information, extracted by edge detection circuit black line , find the car and the black line between the position error, the use of PD control algorithm to control steering of the steering gear. Homemade gun through the real-time access to car speed, the use of P form a closed loop speed control strategy control. From the control algorithm, video capture and image processing, and control several aspects of the body to understand the control theory.Key words: Freescale Single-chip，Camera, Video Sample，PID control┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录第一章绪论 (1)1.1 智能车大赛的背景 (1)1.2 智能车的发展历史 (1)1.3 研究智能车系统的意义 (2)1.4 智能车系统组成 (2)1.5 毕业设计要进行的工作 (3)1.6 本章小结 (3)第二章系统总论 (4)2.1 系统硬件结构 (4)2.2 系统软件结构 (4)2.3 方案简介 (5)2.4 本章小结 (6)第三章硬件电路的设计 (7)3.1 飞思卡尔单片机简介 (7)3.2 电源模块 (7)3.3 电机驱动模块 (11)3.4 速度检测部分 (12)3.5 舵机部分 (17)3.6 摄像头传感器部分 (17)3.6.1 0V6620图像传感器应用 (17)3.6.2 舵机转角的预测算法 (19)3.7 图像采集模块接口 (20)3.8 本章小结 (20)第四章软件系统设计与实现 (21)4.1 系统分析 (21)4.2 软件系统设计 (21)4.2.1 时钟模块的初始化 (21)4.2.2 PWM模块的初始化 (22)4.2.3 ECT模块的初始化 (22)4.2.4 A／D模块的初始化 (23)4.3 赛道信息提取算法 (23)4.3.1 控制系统的分析 (23)4.3.2 图像采集模块 (24)4.3.3 图像处理与赛道信息的提取 (24)4.3.4 摄像头初始化 (27)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.3.5 摄像头信息采集 (27)4.4 舵机控制策略 (28)4.5 电机控制策略 (31)4.5.1 比例控制 (31)4.5.2 积分控制 (31)4.5.3 微分控制 (32)4.5.4 策略 (32)4.6 本章小结 (34)本文总结 (35)致谢 (36)参考文献 (37)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章绪论1.1 智能车大赛的背景“飞思卡尔"智能车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛。
0 引言近几年，智能电控技术发展突飞猛进，并且已经在各行各业中发展起来[1]。
智能车控制系统是在汽车控制技术基础上发展开来的，在电子控制理论、传感器和图像处理科学等基础上[2]，智能车控制技术已发展成该研究领域的热点[3]。
智能车融合了多项技术来实现环境感知、规划决策和形式为一体的高新技术综合体，能够在无人操作的情况下，按照预定的设计方案和实际的现场情况作出相应的响应[4]。
其关键技术之一是计算机视觉技术[5]。
传统的智能小车控制系统，其运行环境简单、机械构造灵活性差。
由于摄像头面阵数据量庞大对于一般的微控制器做如上处理需要一定的时间，这就使得系统实时性能大大减弱，为了兼顾智能车辆图像数据处理的实时性和车辆运行的稳定性、鲁棒性，本文着重对导航路径图像处理算法[6]进行了研究，采用图像消抖的方法进行噪点抑制，将图像平滑滤波、去噪和中线提取有机结合并且省去了二值化的过程，因为驱动电机工作时，控制方式为速度电流双闭环控制，所以控制系统具有稳定、控制精度高、响应速度快、运行安全可靠等优良特性，确保了智能车辆运行的鲁棒性和稳定性。
1 硬件系统设计该系统的主控制器是STM32F103，硬件系统组成部分除了数字摄像头和超声波传感器以外还有无线监控、功率驱动器、编码器和舵机等[11]，主控制器的内核是ARM 32位的Cortex-M3，工作频率最高是72MHz，存储器为0时的等待周期访问时达到最高1.25DMips/MHZ，能够完成部分更复杂的系统控制[12]。
硬件系统原理框图如图1所示。
图1 硬件系统原理框图1.1 驱动电路随着子电力电子技术的发展，直流无刷电机成为一种新型电动机。
驱动电机选用直流无刷电机，直流无刷电机有寿命长、无需电刷换相和转矩惯量低的特点，它的特点是调速性能好、容易控制和结构简单。
因此被广泛应用于国防、机器人、采矿和化工等领域。
三相逆变桥电路作为电动机的驱动电路，结构不复杂，较为稳定和可靠，响应速度快，耐压值较大等优势，最大耐压值可达75V，最大流通电流可达110A，型号为IRF3205。
