基于STM32F103C8T6的平衡车（避障+蓝牙遥控）_stm32平衡车

        双轮平衡车是一种利用倒立摆原理的高度不稳定两轮机械装置，其力学特性具有多变量，非线性和不稳定等特点。本文使用STM32F103C8T6作为MCU，利用MPU6050六轴加速度陀螺仪和带霍尔编码器的GA25-370减速电机搭建平衡小车。通过整合小车的加速度、倾角进而速度信息，应用串级PID算法实现对小车的直立行走以及差速转向。此外，还使用HC-05蓝牙模块实现对小车的无线控制，外加超声波模块实现测距和避障功能，并通过oled进行分析显示

1 绪论

双轮平衡车是一种应用广泛的动力学系统，具有多变量，非线性和不稳定等特点。在研究控制论和应用方面都有巨大的意义，近年来它的发展也受到了人们的广泛关注。

双轮直立平衡车可以简化为一阶倒立摆模型进行分析，设计的目标是保证小车能够在启动后快速到达平衡位置，并且能够在外界施加随机扰动后依旧没有振荡和过大的角度偏移。即当小车达到期望的状态后，能够通过控制系统实现动态稳定。

本文中提到的直立小车使用MPU6050内部DMP算法读取小车当前在三个方向上的倾角和加速度作为输入量，此外利用霍尔传感器得到车轮转速作为反馈信息。小车左右两个轮子的转速和转向作为控制量，实现前后运动和差速转向。整个控制过程通过串级PID来实现，利用TB6612芯片调节PWM输出的占空比以改变电机转速。最后通过控制参数的调整和优化，实现小车的稳定运行。

通过这个项目我们可以学会MPU6050的使用，简单的PID算法和参数整定方法，以及基本的I2C，USART，外部中断以及定时器的使用。

2 设计总框架

2.1硬件框架

硬件方面主要由STM32F103C8T6最小系统，TB6612电机驱动，稳压模块，HC-06蓝牙，OLED显示屏，编码电机，超声波组成。通过单片机输出的PWM控制左右电机的转速，完成前后作用运动。

航模3s电池

11.1v（满电12.6v）

ga25-370电机

    对于M1,M2施加5V的驱动信号，Blue(3.3V), Black(GND)加上3.3V工作电压。测量C1,C2波形，C1上升沿领先C2的上升沿。。改变M1,M2电压的极性，C1的上升沿落后于C2的上升沿。

LM2596

是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。

该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz。与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。

其封装形式包括标准的5脚TO-220封装(DIP)和5脚TO-263表贴封装(SMD)。

该器件还有其他一些特点∶在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内∶可以用仅80uA的待机电流，实现外部断电∶具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路)

tb6612

置 1 通过 AIN1 AIN2， BIN1，BIN2 引脚来控制正反转
PWM引脚控制占空比
VM： 接 12V 以内电源
VCC： 接 5V 电源
GND： 接电源负极

0.96寸4针OLED屏模块

是一种显示屏模块，它包括一个0.96英寸的OLED显示屏和4个引脚。这种OLED屏幕模块通常用于嵌入式系统和小型电子设备中，可以显示文本、图像和其他类型的信息。由于其小尺寸和低功耗，它们也常用于智能手表、健康追踪器和其他便携式设备中。此类模块通常使用SPI或I2C接口进行通信，并且支持多种分辨率和颜色模式。

该模块有4个引脚，分别为VCC、GND、SCL和SDA。VCC是电源引脚，用于提供模块的电源，一般是3.3V或5V电源。GND是地引脚，用于提供模块的接地。需要接到负极电源上。SCL是时钟引脚，用于传输数据时的时钟信号。通常需要连接到主控芯片的时钟引脚。SDA是数据引脚，用于传输数据。通常需要连接到主控芯片的数据引脚。在使用I2C接口时，这个引脚也可以被称为SDA（串行数据线）。

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

 

HC-05蓝牙模块

一共有6个引脚，但经过我查阅资料以及自己的实操，实际上只需要用到中间的4个引脚即可（即RXD,TXD,GND,VCC）。需要注意的是，蓝牙模块的RXD引脚需要接单片机的TXD引脚，同样，蓝牙模块的TXD引脚需要接单片机的RXD引脚！也就是RXD--TXD，TXD--RXD，VCC—3.3V，GND--GND。

 

手机端设置连接配置

Autocad进行底板设计

2.2软件框架

超声波

Trig ，给Trig端口发送信号
  怎么知道它开始发了
Echo信号，由低电平跳转到高电平，表示开始发送波
   怎么知道接收了返回波
Echo，由高电平跳转回低电平，表示波回来了

通过计算公式（Time * 0.0001) * 34000) / 2来设置8cm的安全距离进行避障

MPU6050

读取的三轴角速度和倾角信息作为基本的控制信息，再加上霍尔编码器输出的左右轮转速作为反馈信息实现。算法方面使用串级PID算法，包括PD直立环、PI速度环以及PD转向环三个方面综合计算实现小车的稳定运行，软件框架如图所示：

MPU6050 为全球首例集成六轴传感器的运动处理组件，内置了运动融合引擎，用于手持和桌面的应用程序、游戏控制器、体感遥控以及其他消费电子设备。它内置一个三轴 MEMS 陀螺仪、一个三轴 MEMS 加速度计、一个数字运动处理引擎（DMP）以及用于第三方的数字传感器接口的辅助 I2C 端口（常用于扩展磁力计）。当辅助 I2C 端口连接到一个三轴磁力计，MPU6050 能提供一个完整的九轴融合输出到其主 I2C 端口。

    对于传统的惯性陀螺仪，主要指的是机械式的陀螺仪，其原理为角动量守恒原理。在本次学习中用到的是微机电系统（Micro electro mechanical Systems）陀螺仪，简称MEMS陀螺仪。主要想记录的也是它的内部构成与原理。

    MEMS是一种加工工艺，根据产品需要在各类衬底（硅衬底，玻璃衬底，石英衬底，蓝宝石衬底等等）制作微米级微型结构的加工工艺，陀螺仪是其中一种应用。

    MEMS陀螺仪是利用科里奥利力的原理（当动系相对于静系有平动与旋转的复合运动时，此时产生一个方向垂直于相对速度方向的力与加速度）。

Fc=2mv×ω

直立环采用PD算法

适用于舵机快速响应

对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度， 此时可增加微分作用。

特点：

比例控制对于惯性较大对象，控制过程缓慢，控制品质不佳。比例微分控制可提高控制速度，对惯性较大对象，可改善控制质量，减小偏差，缩短控制时间。

理想微分作用持续时间太短， 执行器来不及响应。实际使用中，一般加以惯性延迟，称为实际微分。

PD 调节以比例调节为主，微分调节为辅，PD调节是有差调节。

PD 调节具有提高系统稳定性、抑制过渡过程最大动态偏差的作用。

PD 调节有利于提高系统响应速度。

PD 调节抗干扰能力差，一般只能应用于被调参数 变化平稳的生产过程。

微分作用太强时，容易造成系统振荡。

PID算法：

将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起， 只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。

特点：

PID 控制作用中，比例作用是基础控制；微分作用是 用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。

只要比例、积分、微分三种控制规律强度配合适当， 既能快速调节，又能消除余差，可得到满意控制效果。

Kp 较小时，系统对微分和积分环节的引入较为敏感，积分会引起超调，微分可能会引起振荡，而振荡剧烈的时候超调也会增加。

Kp 增大时，积分环节由于滞后产生的超调逐渐减小，此时如果想要继续减少超调可以适当引入微分环节。继续增大 Kp 系统可能会不太稳定，因此在增加 Kp 的同时引入 Kd 减小超调，可以保证在 Kp 不是很大的情况下也能取得较好的稳态特性和动态性能。

Kp 较小时，积分环节不宜过大，Kp 较大时积分环节也不宜过小（否则调节时间会非常地长），当使用分段PID ，在恰当的条件下分离积分，可以取得更好的控制效果。原因在于在稳态误差即将满足要求时，消除了系统的滞后。因此系统超调会明显减少。

速度环采用pi算法

Pcb设计

通过嘉立创eda画出原理图进行布线

成品实物图

最终实物效果图