紀(jì)偉1，曾憲陽(yáng)2，左翠翠2，李士垚3

　　（1.南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京，211167；2.南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京，211167；3.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京，211167）

         摘要：當(dāng)前市場(chǎng)上已有的平衡車(chē)需要站在車(chē)上操作遙桿來(lái)進(jìn)行控制，應(yīng)用范圍小，因此設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)作為主控芯片，配合Android上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)。車(chē)載攝像頭傳感器和溫濕度傳感器可以實(shí)時(shí)記錄周邊環(huán)境情況，促使相應(yīng)處理機(jī)制對(duì)環(huán)境做出應(yīng)答，保證使用者擁有一個(gè)更加安全、可靠、使用壽命更長(zhǎng)的可遠(yuǎn)程控制自主平衡車(chē)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的兩輪自平衡車(chē)平衡穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程平衡控制。

　　關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);Android系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制;自平衡車(chē);攝像頭

　　中圖分類號(hào)：U283.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.027

　　引用格式：紀(jì)偉，曾憲陽(yáng)，左翠翠，等.基于STM32與Android系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡車(chē)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（2）：90-92，99.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201411276041Y）當(dāng)前，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，平衡車(chē)越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于交通、安保、巡查等方面［12］。作為一種新的交通、安保等行業(yè)方面的工具，平衡車(chē)不僅在穩(wěn)定性上有著較高的要求，還在遠(yuǎn)程遙控、實(shí)時(shí)監(jiān)控方面有著迫切的需要。本文設(shè)計(jì)一種基于遠(yuǎn)程Android上位機(jī)客戶端進(jìn)行操控的平衡車(chē)，使其能在遠(yuǎn)程駕駛、安保、巡查等方面有著更廣泛的應(yīng)用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

　　1.1系統(tǒng)原理分析［3 4］

　　平衡車(chē)的力學(xué)原理類似于倒立擺的力學(xué)原理，如圖1所示，根據(jù)分析得平衡車(chē)的回復(fù)力算式：

　　mgsinθ－macosθ≈mgθ－mk1θ

　　其中k1為負(fù)反饋控制下車(chē)輪加速度a與偏角θ的比例因子。忽略空氣阻力及摩擦力，得出下式：

　　F=mgθ－mk1θ－mk2θ′

　　其加速度a為：

　　a=k1θ+k2θ′

　　θ為車(chē)模傾角，θ′是角速度，所以只要得到傾角和角速度就可以推算出車(chē)模的加速度，從而得到對(duì)應(yīng)的占空比的PWM波，對(duì)平衡車(chē)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。

　　1.2系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路

　　系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為主控芯片，采集并處理攝像頭傳感器、編碼器、溫濕度傳感器以及上位機(jī)發(fā)送的指令，將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)無(wú)線視頻傳輸模塊發(fā)送到上位機(jī)，使用基于Android手機(jī)系統(tǒng)的APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程處理數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的自主性、安全性、可靠性。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控單元［5］，主頻高達(dá)72 MHz，可以輸出多路PWM信號(hào)，片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富。其最小系統(tǒng)電路如圖3所示，包含了外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、OLED顯示電路和按鍵交互電路?！?/p>

　　2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4所示［67］，該模塊由12 V供電，輸出5 V?？梢暂斎?路PWM信號(hào)，2路使能信號(hào)，完全滿足控制平衡車(chē)兩個(gè)輪子正反轉(zhuǎn)的實(shí)際需求?！?/p>

　　2.3WiFi視頻傳輸模塊的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)了RobotLink V5.0 WiFi模塊，300 Mb/s帶寬的OPENWRT路由器，該模塊相當(dāng)于一個(gè)服務(wù)端，開(kāi)放了TCP連接，接入外網(wǎng)后可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，工作穩(wěn)定，視頻清晰。使用者可以通過(guò)手機(jī)APP或者PC端的上位機(jī)程序通過(guò)TCP協(xié)議來(lái)獲取攝像頭所拍攝視頻。

　　2.4傳感器模塊電路的設(shè)計(jì)

　　為滿足平衡車(chē)傾角檢測(cè)需要，使用六軸傳感器MPU6050來(lái)檢測(cè)傾角［8］，該芯片內(nèi)部有16位的AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)的輸出，供電3~5 V，標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信協(xié)議。MPU6000系列整合了3軸陀螺儀、3軸加速器運(yùn)動(dòng)處理(DMP)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式向應(yīng)用端圖5MPU6050傳感器模塊電路

　　輸出完整的9軸融合演算技術(shù)。也可以自行進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到穩(wěn)定的角度值，設(shè)計(jì)的電路如圖5所示。

　　2.5溫濕度傳感器模塊的設(shè)計(jì)

　　為滿足設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)還配備了溫濕度傳感器DHT11［910］，可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境的濕度和溫度，濕度測(cè)量范圍：20~95 %RH（0~50℃范圍），濕度測(cè)量誤差：±5%，溫度測(cè)量范圍：0~50℃，溫度測(cè)量誤差：±2℃，以數(shù)字量形式輸出。DHT11不僅可以適應(yīng)正常的平衡車(chē)的工作環(huán)境，而且單總線的設(shè)計(jì)方式節(jié)約了IO口，有助于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖6所示。

　　2.6電源模塊的設(shè)計(jì)

　　由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)電路穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的干擾，以及WiFi視頻傳輸模塊需要穩(wěn)定的1 A電流，綜上考慮本系統(tǒng)的電源電路采用多電源設(shè)計(jì)方式，既有效地隔離了電機(jī)對(duì)電路的影響，又能提供給WiFi模塊穩(wěn)定的輸入電流，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖7為系統(tǒng)電源模塊供電分配方式圖。

3軟件程序設(shè)計(jì)

　　3.1姿態(tài)解算與數(shù)據(jù)濾波［11 13］

　　由于陀螺儀數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的累積會(huì)產(chǎn)生誤差，姿態(tài)解算主要就圍繞著對(duì)陀螺儀的長(zhǎng)期誤差進(jìn)行補(bǔ)償，首先將加速度計(jì)采集到的值轉(zhuǎn)化成單位向量，也就是向量除以模，傳入?yún)?shù)是陀螺儀X、Y、Z三軸的數(shù)值以及加速度的X、Y、Z三軸的數(shù)值，通過(guò)四元數(shù)計(jì)算出上一次重力的單位向量，由于向量的誤差就是向量的叉積，計(jì)算出加速度表示的重力的單位向量與四元素得到的重力單位向量進(jìn)行叉積得到重力的誤差，將誤差進(jìn)行積分并且補(bǔ)償?shù)酵勇輧x，使用一階龍格庫(kù)塔方法求解四元數(shù)，最后根據(jù)四元數(shù)與歐拉角的關(guān)系求解出歐拉角。得到歐拉角之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，嘗試使用互補(bǔ)濾波、卡爾曼濾波和DMP，最后發(fā)現(xiàn)卡爾曼數(shù)據(jù)跟隨性滿足要求，穩(wěn)定性很好。

　　卡爾曼濾波前后波形如圖8所示，從圖中可以看出濾波前數(shù)據(jù)干擾較大，存在諸多不穩(wěn)定信號(hào)，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波之后波形較為平滑，穩(wěn)定性得到很大提高，對(duì)后期PID控制提供了保障。

　　3.2控制算法設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制流程如圖9所示。

　　本系統(tǒng)使用了應(yīng)用非常廣泛的PID調(diào)節(jié)控制算法［1415］，系統(tǒng)分為三環(huán)控制，分別是：直立環(huán)、速度環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)。顧名思義:直立環(huán)就是保持車(chē)體的狀態(tài)，采用PD調(diào)節(jié)控制算法，但是單一的直立環(huán)很難維持車(chē)體在外界干擾的情況下依舊保持直立，所以引入了速度環(huán)，速度環(huán)使用PI控制器，是對(duì)編碼器讀出的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行控制，其積分量可以保持小車(chē)停在原地不動(dòng)。轉(zhuǎn)向環(huán)由于對(duì)精度要求并不是很高，使用了單獨(dú)的P控制。在三個(gè)環(huán)的配合下最終實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的平穩(wěn)站立行走。

　　3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用MPU6050的中斷引腳10 ms作為系統(tǒng)的采樣周期，一周期內(nèi)采集一次傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行姿態(tài)解算輸出歐拉角，然后通過(guò)濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。緊接著讀取左右輪編碼器得到當(dāng)前小車(chē)的速度值，讀取溫濕度傳感器的值，判斷當(dāng)前環(huán)境溫濕度是否適合平衡車(chē)的放置，并將數(shù)據(jù)通過(guò)OLED顯示在界面上，將得到角度、角速度、期望角度、左右輪編碼器的值以及上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)等值帶入PID控制器里，得到輸出PWM的占空比值。WiFi視頻傳輸模塊會(huì)不斷采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送出去。使用者可以通過(guò)TCP協(xié)議來(lái)獲取小車(chē)的視頻并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制小車(chē)。

　　3.4PID參數(shù)整定

　　對(duì)于平衡車(chē)來(lái)說(shuō)最重要的是直立環(huán)，所以必須先調(diào)節(jié)直立環(huán)，直立環(huán)使用了PD控制器，先調(diào)試P參數(shù)，從小到大，直到剛開(kāi)始出現(xiàn)了震蕩，增大參數(shù)D以消除震蕩。速度環(huán)使用了PI控制器，參數(shù)P可以增強(qiáng)平衡車(chē)回中的能力，參數(shù)I可以對(duì)其進(jìn)行細(xì)調(diào)。轉(zhuǎn)向環(huán)是保證小車(chē)能夠水行駛，使用P控制器,逐漸修改參數(shù)直到小車(chē)可以保持水平，停在原地。

4結(jié)論

　　本文實(shí)現(xiàn)了兩輪平衡車(chē)的穩(wěn)定站立，并且能夠通過(guò)Android客戶端程序進(jìn)行遠(yuǎn)程的視頻傳輸和遠(yuǎn)程控制，視頻質(zhì)量清晰，遠(yuǎn)程控制穩(wěn)定性高。平衡車(chē)無(wú)需使用者隨時(shí)攜帶，只要打開(kāi)APP，可以操控平衡車(chē)到達(dá)任何你想要去的地方，可用于日常的交通、安保、巡查等多方面無(wú)人操作領(lǐng)域。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 段其昌, 袁洪躍, 金旭東. 兩輪自平衡車(chē)無(wú)速度傳感器平衡控制仿真研究［J］. 控制工程, 2013, 20(4): 618 622.

　?。?］ 張曉華, 張志軍. 自平衡式兩輪電動(dòng)車(chē)耦合控制研究［J］. 控制工程, 2013, 20(1):26-29.

　?。?］ 李曉峰, 崔云飛, 高學(xué)山,等. 小擺角兩輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及控制器設(shè)計(jì)［J］. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(10):1049-1053.

　?。?］ 馬思遠(yuǎn), 魯庭勇, 張麗君. 兩輪自平衡車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量和控制［J］. 測(cè)控技術(shù), 2015, 34(4):71-73.

　　［5］ 陳致遠(yuǎn),朱葉承,周卓泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(9):138-140.

　?。?］ 雷紅淼, 程耀瑜. 基于L298N的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2012(2):118-118.

　?。?］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社,2003.

　　［8］ 賴義漢, 王凱. 基于MPU6050的雙輪平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 26(1):53-57.

　?。?］ 韓丹翱, 王菲. DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究［J］. 電子設(shè)計(jì)工程, 2013, 21(13):83-85.

　　［10］ 李長(zhǎng)有, 王文華. 基于DHT11溫濕度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)床與液壓, 2013, 41(13):107108.

　?。?1］ 周立青, 章研, 安舒,等. 基于硬件Kalman濾波器的航拍云臺(tái)姿態(tài)獲?。跩］. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(10):93-95.

　　［12］ 鄭慧偉, 崔坤. 卡爾曼濾波在二輪自平衡車(chē)直立控制中的應(yīng)用［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2014, 33(17):95-97.

　?。?3］ 樊炳輝, 張凱麗, 王傳江,等. 基于四元數(shù)的前臂假肢手部自平衡的設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2016, 42(5):78-81.

　　［14］ 李世光,王文文,申夢(mèng)茜，等.基于變論域模糊PI四輪機(jī)器人的仿真與研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(10):191-194.