Vol.19No.13ElectronicDesignEngineering
2011年7月Jul.2011
基于STM32的双轮平衡车
张志强
（武汉理工大学
湖北武汉430070）
摘要：针对市场上的平衡车售价过高，功能单一，失去平衡后不能自动恢复平衡的问题，提出了基于STM32的平衡车，它采用实时操作系统uCOS-II，借助陀螺仪、加速计、舵机控制器、编码器构成一个自平衡系统。此系统可遥控控制LCD显示方向，自动恢复平衡。通过观测陀螺仪数据、功能测试、价格比较，证明此系统运行平稳，功能丰富，成本低廉。
关键词：双轮平衡车；STM32；陀螺仪；加速计；uCOS-II中图分类号：TP242
文献标识码：A
文章编号：1674－6236（2011）13-0103-04
Two-wheeledself-balancevehiclebasedonSTM32
ZHANGZhi-qiang
（WuhanUniversityofTechnolgoy，Wuhan430070，China）
Abstract：Thepriceofself-balancevehiclesonthemarketsaretooexpensive,simplexfunction.Anditcannotautomaticallyrestorebalanceafterlostbalance.Accordingtothoseproblems,aself-balancevehiclebasedonSTM32ispresented,whichusesreal-timeoperatingsystemuCOS-IIwithgyroscopes,accelerometer,steeringgearcontroller,encodersconstitutingaself-balancingsystem.ThissystemhasthefunctionofremotecontrolsLCDdisplayandrestorationofbalance.Byobservingthegyroscopedata,itshowsthatthesystemisrunningsmoothly.Also,itismultifunctional,lowcost.Keywords：two-wheeledself-balancevehicle；STM32；gyroscope；accelerometer；uCOS-II
双轮平衡车突破了传统意义上的车的概念，它的特点是：两个轮子处于共轴的两个平行平面上，差动式运动，零半径转向，依照倒立摆的原理达到动态平衡。最早由美国发明家狄恩·卡门（DeanKamen）与他的DEKA研发公司（DEKA
ResearchandDevelopmentCorp.）发明设计，名为Segway。但
是其售价也是令人咋舌：7万人民币。如何能使其功能更加丰富而又成本低廉，是本文着重解决的问题。
在微处理器的选择上，基于ARM内核的32位微控器
STM32，CPU最高可工作在72MHz，占据了高性价比和低功
耗的优势，尤其是丰富的外设，快速的中断，强劲的运算速度完全满足设计平衡车的需求。
1平衡车的力学模型
为了获得平衡车的平衡方程
[1-2]
图1力学模型
Fig.1Mechanicalmodel
，需要分析其力学结构，
象得到如下方程：
左轮方程为：
··
平衡车的主要构成是车身和左右两个车轮，影响平衡的参数有：重心、质量、转动惯量、半径等。为保持动态平衡，车身重心应置于车轴的垂直上方的一定范围内，可建立力学模型，如图1所示。
假设平衡机器人为刚体，左右两轮完全对称，并且忽略车轮与地面之间的滑动与侧向滑动，以左轮和车身为研究对收稿日期：2011-04-24
稿件编号：201104117
xRLMRL=HTL-HL（1）（2）
··
θRLJRL=GL+HTLR
其中，xRM：水平位移（m）；MRL：左车轮质量（kg）；HL：车身施加于车轮的水平作用力（N）；HTL：地面对车轮的水平作用力
基金项目：武汉理工大学自主创新研究基金（2010-ZY-JS-028）
作者简介：张志强（1978—），男，山西五台人，硕士研究生，工程师。研究方向：嵌入式系统设计。
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《电子设计工程》2011年第13期
（N）；θRL：左轮相对于垂直分量的倾角（rad）；JRL：左轮相对于Z轴转动惯量（kgm2）；CL：左轮电机产生的扭矩（kg·m）；R：车轮半径（m）。
车身的方程为：
··
经由PID算法进行误差调整后再次将控制量发送到舵机控制器，形成一个闭环反馈。整个系统不断进行调整便可以维持平衡车的平衡。
平衡车行走和转弯是由遥控器的方向消息给出，当遥控
xpMp=HL+HRypMp=VL+VR-Mpg
（3）（4）
接收器收到消息后，引起主控制器中断，通过平衡算法处理以后给出合适的控制量，控制左右两个轮子行走和转弯，同时LCD要显示方向键的按下状态。
当检测到平衡车失去平衡的时候，主控制器进入特别处理模式，将启动舵机M1或M2，在机械臂的作用下重新归位到平衡状态，在动作完成后，机械臂回到初始位置。
··
··
（5）epJpθ=（VL+VR）Lsinθp-（HL+HR）Lcosθp-（CL+CR）
其中，xp：车身水平位移分量（m）；yp：车身垂直位移分量
（m）；Mp：车身质量（kg）；VL，VR：左右两轮施加于车身的垂直作用力（N）；HL,HR：左右两轮施加于车身的水平作用力（N）；
L：质心距离车轴的距离（m）；θp：车身对于y轴倾斜角（rad）；Jpθ：车身对于z轴的转动惯量（kg·m2）；CL，CR：连接左右两轮
的电机产生的扭矩（kg·m）.
当平衡车达到平衡状态时，sinθP≈θp，cosθp≈1；根据式（1）（2）（3）（4）（5），得到微分方程：
（2MRL+2JRL+MPL+MPR）θRL=-
3硬件设计
本文主控制器采用意法半导体生产的STM32F103ZE[4]
作为主控制器，它使用来自于ARM公司具有突破性的
Cortex-M3内核，该内核集高性能、低功耗、实时应用、竞争
1（J+ML）+ML
θ+≈≈Rpθ
p2
p
p
..
性价格于一体。STM32F103ZE的主要性能参数有：主频最高
R
72MHz，90DMips，1.25DMips/MHz。512k字节闪存程序存
储器，64k字节SRAM。外设有：定时器、ADC、SPI、I2C、
gMpL1θp）
R（6）
USART和USB等。
三轴加速计选用飞思卡尔的MMA7260QT
··
2控制系统设计
由微分方程式（6）可知，如果测得车身的角加速度θp，和
··
[5]
，
MMA7260QT的量程有1.5g、2g、4g、6g4个，本文选择1.5g的量程范围，精度为800mV/g，内部集成了低通滤波器。将MMA7260QT的x轴y轴接入STM32的AD采样，其中一个轴
作冗余设计，以增强可靠性，12位的AD采样精度可达0.8mV，转换时间为1μs。
陀螺仪采用亚德诺半导体的ADXRS300
[6]
车身的垂直倾角θp，就可以控制两个车轮的角加速度θRL，使之达到平衡状态。角加速度和倾角可以借助传感器获得。加速计是用来测量运载体相对惯性空间运动的加速度，也可用来测得相对于重力的倾角θp。而陀螺仪一般是用来测量载体的运动角速度，经过积分和相关的运算可以得到载体的角度信息，经微分运算可获得载体角加速度，因此可以用它测量倾角θp与角加速度θp。同时左右两轮安置编码器得到平衡车车轮的实际运动信息。整体设计结构如图2所示。
当平衡车进入平衡状态时，安装于车身的陀螺仪和加速计实时采集数据，并传送至主控制器。主控制器将数据进行
，其量程
为±300°/s，线性误差小于0.1％，使用FPGA采样积分后，以串口方式输出角度信息。经信号处理后的误差小于
0.5°，温度漂移小于0.6°。
舵机控制器是用于控制平衡车左右车轮伺服电机，它可以同时控制16路舵机，通过串口接收命令，并输出PWM波形。舵机选择了比亚迪公司生产的MG995，其速度为·0.17s/60°(4.8V)，扭矩为13kgcm，死区设定4μs。用于车轮的舵机需要去除销钉，并用两个2.5kΩ电阻取代滑动变阻器。
遥控器部分是采用PT2262与PT2272,分别用于调制解调，PT2272解调后的信号引脚分别与STM32的Remote1~
Remote4（PC8~PC11）连接，前后左右4个按钮对应其中Remote1~Remote4，当遥控器有按键按下时STM32产生中断
并作相应的处理。
编码器由两部分组成，即：码盘和信号采样电路。码盘与车轮共轴，车轮转动带动码盘转动，采用两个直射式红外光
图2
系统组成示意图
电传感器作采样电路的设计。本文选用南旭科技的光电传感器ST150，ST150的响应时间为5μs、光缝宽度0.4mm、遮光电流1μA、通光电流0.25mA，满足设计要求。同时使用两个
Fig.2Schematicdiagramofsystemcomponents
Kalman滤波[3]和平衡算法处理，得出姿态调整所需要的车轮
加速度值，换算为电机的控制量，通过串口3发送到舵机驱动器，控制两路由舵机改装的伺服电机作姿态调整。安装于车轮的编码器得到实际速度和运行距离，反馈回主控制器，
ST150是为了得到相位差调整为90°两路波形，这样就可以
检测出车轮的旋转方向。经过施密特触发器74HC14整形后输入到STM32的Encode1~Encode4(PC4~PC7)。编码器电路如
图4主控制器设计
Fig.4Designofmastercontroller
《电子设计工程》2011年第13期
3）左右两个编码器的I/O；4）遥控器4个方向按钮的I/O。
加速计的AD采样使用查询的方式。在得到陀螺仪的数据后，立即进行AD采样，使得加速计和陀螺仪得到的数据尽量保持在较短的时间内。系统软件流程如图6所示。
在室内无坡度的地面上，使用遥控器做S型曲线运动，倾角的范围为：-5°≤θp≤5°，并且LCD可正确显示出方向信息。当θp＞25°，或者θp＜-25°时，平衡车失去平衡。此时舵机M1与M2启动，将平衡车调整至-5°≤θp≤5°的范围内，重启动平衡控制。
此样车按照目前市场价格，总价约1500人民币，相对于
Segway成本大大降低。
6结束语
本文以STM32为处理器，从硬件搭建了一个自平衡系
统，以实时系统uCOS-II为片上系统，进行软件设计，并对平衡系统进行功能扩展。实验证明，本系统功能丰富，成本低廉，其中自动恢复平衡的功能，可用于机器人排爆，野外探测等领域。参考文献：
[1]CrasserF，D’ArrigoA,ColombiS，etal.JOE:Amobile，
invertedpendulum
[J].IEEETransactionsonIndustrial
Elec-tronics，2002，49（1）：107-114.
[2]陈伟，延文杰，周超英，等.两轮自平衡机器人控制系统设
图6
系统软件流程图
计[J].传感器与微控制器，2008，27（4）:117-120.
Fig.6Flowchartofsystemsoftware
CHENWei，YANWen-jie，ZHOUChao-ying.Controlsystemdesignoftwowheelsself-balancerobot[J].TransducerandMicrosystemTechnologies，2008,27(4):117-120.
5实验结论
使用ARM开发工具RealViewMDK
[8]
对平衡车进行调
[3]袁泽睿.两轮自平衡机器人控制算法的研究[D].哈尔滨:哈
尔滨工业大学，2006:22-31.
试，该开发工具自带的LogicAnalyzer窗口可实时跟踪变量的变化。因此，在平衡车进入平衡状态时，用LogicAnalyzer窗口观测到车身的倾角变化，软件中变量Gyro_degree代表陀螺仪得到的车身倾角θp，LogicAnalyzer窗口得到的数据如图7所示。
[4]STMicroelectronicsIntegratedProducts.STM32Referencemanual[EB/OL].(2011-01-01)[2011-04-01].http://www.stmi-croelectronics.com.cn/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/REFERENCE_MANUAL/CD00171190.pdf.
[5]FreescaleIntegratedProducts.MMA7260QT[EB/OL].(2008-05-03)[2011-04-01].http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7260QT.pdf?fsrch=1&sr=1.
[6]AnalogDevicesIntegratedProducts.ADXRS300[EB/OL].(2004-01-01)[2011-04-01].http://www.datasheetarchive.com/pdf/getfile.php?dir=Datasheets-4&file=DSA-67061.pdf&scan=.[7]LabrosseJJ.嵌入式实时操作系统μC\\OS-Ⅱ[M].邵贝贝，
等译.北京:北京航天航空大学出版社,2003.
[8]李宁.ARM开发工具RealViewMDK使用入门[M].北京:北京
根据Gyro_degree的数据，θp的数据大部分在范围-5°≤
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤航空航天大学出版社，2008.
θp≤5°内振荡，说明系统运行平稳可靠。
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤欢迎投稿！欢迎订阅！欢迎刊登广告！国内刊号：CN61-1477/TN在线投稿系统：http：//mag.ieechina.com地址：西安市劳动南路210号5-1-3信箱国际刊号：ISSN1674-6236ad@ieechina.com（广告）邮政编码：710082≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤－106－
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