基于MC56F8013主控的两轮平衡车的设计与制作

郭勇 罗乐 周继平 陈涛 王宇 孙大明 廖无瑕

基金项目：2020年大学生创新创业训练计划省级立项项目（项目编号S202011116076），成都工业学院“2017-2020年人才培养质量和教学改革项目”，成都工业学院实验室开放基金项目，成都工业学院引进人才科研启动项目（项目编号175070）

摘要：两轮平衡车是具有强耦合、不稳定、多变量等多种特点的复杂系统，而基于倒立摆模型的两轮平衡车主要依靠平衡和操纵动力来实现系统自平衡。本论文设计了基于MC56F8013数字信号控制器的两轮自平衡小车，自平衡车的姿态检测与车身的平衡控制是通过MPU6050陀螺仪和TB6612电机驱动模块实现的，通过引入蓝牙模块实现了平衡车的无线控制和路径规划。最终的样车实际测试结果表明本两轮平衡车的设计是成功的。

关键词：两轮自平衡车;MC56F8013;姿态控制;PID;电机驱动

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）13-0077-02

1引言

近年来，两轮自平衡车因为拥有绿色节能环保、方便灵活等多种优点因而得到了很大的发展，如今已经有很多关于这方面的研究以及相关的成熟产品问世[1-5]。现实中，两轮自平衡小车可看作是一种简单的移动倒立摆模型，它是一个多变量、多输入、强耦合的复杂控制系统，是自动控制研究领域一个永恒的经典课题。两轮自平衡车的本质是一个自平衡的载体，它不同于自行车或者摩托车，自平衡车的两个轮子是平行排列的。汽车能够通过身体自身的平衡平稳地移动，而两轮自平衡车的设计需要引入内部控制机构来控制平衡，通过控制车辆的前后倾斜来实现前进或后退。自平衡车具有体积小，结构简单，运动灵活，适用于狭窄、危险的作业空间，在民用和军事领域具有广阔的应用前景。两轮平衡车的动态特性控制是自动控制领域的经典研究对象，两轮自平衡车已成为验证控制算法理想平台[6-7]，对其进行研究具有非常重要的理论意义，而且，设计并实现两轮平衡车具有较高的经济和应用价值。

2两轮自平衡车的设计方法

本论文设计的两轮自平衡车主要选用了TB6612电机驱动模块、MPU6050陀螺仪[8]和HC-05蓝牙无线通信模块， 4.2有效发挥工业计算机和测控装置的功能。低压配电系统中电力自动控制的应用，须对通信信息予以关注，着重处理、搜集数据信息，并结合显示出的画面来完成电力控制系统情况评估、分析工作。以电力测控装置连续测量低压配电系统三向回路电流、电压、功率等参数，保证各个开关量处于监视中，两级过负荷越限警告，保证整个配电系统能够安全、可靠、经济、高效的运作。

在MC56F8013數字信号控制器上进行了PID控制算法[9]，通过MC56F8013控芯片实现了各模块和电机的驱动控制。现将MC56F8013主控控芯片和核心模块介绍如下：

2.1 MC56F8013主控芯片。飞思卡尔公司所生产的MC56F8013数字信号控制器具有体积小（TQFP封装），功耗低（@3.3V工作电压），运行速度快（32MIPS），包含丰富的外设接口等特点，非常适合于本课题两轮自平衡车的设计。

2.2 MPU6050陀螺仪。本方案采用的陀螺仪传感器型号为MPU6050，该芯片内部同时包含陀螺仪和加速度传感器模块，还可通过自定义来拓展协处理器的功能。在方案实现过程中，还可以利用MPU6050的I2C通用串行数据传输接口来连接一个额外的数字传感器，例如I2C温度传感器。此外，MPU6050还包含一个16位精度的模数转换器，可将模拟信号量转化为数字信号量输出到MC56F8013数字信号控制器。为了兼顾测量范围和测量速度，该传感器的检测精度和速度可由芯片内部的寄存器进行配置。

2.3 TB6612电机驱动。TB6612是一款由东芝半导体公司所生产的通用H桥驱动芯片，芯片本身可以直接流过大电流，因此，当使用TB6612芯片驱动直流电机时不需要外加额外的降压模块即可完成驱动工作。本设计直接使用TB6612的两路驱动电路同时驱动两个直流减速电机进行工作，相较与传统的L298N H桥驱动芯片，TB6612芯片的热耗性更好，其内部包含了二极管续流电路，使得TB6612芯片的运转不需要外加散热片，TB6612芯片体积较小，在紧凑的系统设计中使用更加灵活，外围设计电路也较简单，所以本设计选择其作为直流减速电机的驱动控制芯片。

2.4 HC-05蓝牙模块。本次设计方案中还选用了HC-05蓝牙模块来无线控制小车的运行方向，HC-05模块采用CSR主流蓝牙芯片，支持蓝牙V2.0协议标准，输入电压为3.6V～6V。蓝牙模块本身集成有连接状态指示灯，通过指示灯的闪烁状态可判断出是否有蓝牙接入，当LED状态指示灯快速闪烁时表示没有蓝牙接入，当LED状态指示灯慢闪时则表示有蓝牙接入。MC56F8013数字信号控制器可通过通用串行接口与其进行数据传输。在自平衡车无线控制过程中，可以通过发送串口通信命令来调整自平衡车的控制参数，例如通过手机的蓝牙接口与HC-05蓝牙模块通信并修改平衡车辆的运行速度等。

3两轮平衡车的软硬件设计

3.1两轮平衡车的硬件实现。本设计搭建的硬件结构控制框图如图1所示，两轮自平衡小车是由MC56F8013最小系统作为控制核心来完成自动平衡的，小车的运动速度和运动方向控制是利用智能手机自带的蓝牙模块与两轮平衡车的HC-05蓝牙模块进行通信实现的。MC56F8013最小系统读取MPU6050陀螺仪的数据，通过TB6612电机驱动模块驱动直流减速电机，以实现小车的姿态控制并使小车实现自平衡，所有的可控制参数通过OLED显示屏进行滚动显示，两轮自平衡车的硬件原理图如图2所示。

3.2两轮平衡车的软件实现。软件编程涉及的内容包括：TB6612电机驱动程序，MPU6050姿态控制程序，两轮平衡车的滤波和小车姿态数据的获取程序，车轮速度检测程序，PID算法程序和蓝牙通信程序。两轮自平衡车控制系统的总程序框图如图3所示，程序运行后其自平衡稳定的工作状态如图4所示。

4结论

本论文先通过数学建模获得了小车的PID控制参数，再由MC56F8013主控芯片运行电机驱动和控制算法程序完成对平衡车的自平衡控制。本论文涉及的硬件电路模块的实现主要涉及MC56F8013数字信号控制器最小系统的设计、TB6612电机驱动模块的设计，姿态控制模块MPU6050的设计、电源供电模块的设计和蓝牙模块HC-05的选型。两轮自平衡车控制软件的实现包括姿态控制子程序的设计、PID控制算法的实现、蓝牙通信模块的子程序设计、电机驱动模块子程序设计以及自平衡控制系统主控程序的编写等。本论文设计并制作的两轮平衡车经软硬件联合调试，其不仅可以实现自平衡直线驱動和左右转弯驱动等基本操作，还可借助智能手机完成对平衡车的运行轨迹规划与控制，本自平衡车还可扩展如北斗导航等多种功能模块，可作为商业两轮自平衡车的原型验证车。：

参考文献：

[1]郑晓伟，陈万米.基于DSP的两轮自平衡小车系统的研究[J].工业控制计算机，2012，25（9）：33-35

[2]林文建，钟杭，黎福海，等.两轮自平衡机器人控制系统设计与实现[J].电子测量与仪器学报.2013（08）

[3]周牡丹，康恺，蔡普郎，等.两轮自平衡车控制系统的设计与实现[J].自动化技术与应用，2014，33（10）：4-8

[4]杨莘，刘海涛.基于STM32的两轮自平衡遥控小车[J].数字技术与应用.2014（05）

[5]富文军，孔令超，方四明，等.基于飞思卡尔单片机的平衡车设计[J].电子科学技术.2016（04）

[6]杨兴明，段举，朱建，等.基于模糊调节的两轮自平衡车的终端滑模分解控制[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014（10）：1187-1193

[7]傅忠云，陈秋阳，刘文波.基于直接转矩控制的两轮自平衡车系统设计[J].压电与声光，2014，36（6）：967-971

[8]赖义汉，王凯.基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J].河南工程学院学报（自然科学版），2014，26（1）：53-57

[9]杨皓明，赵唯.基于串级PID控制的两轮自平衡车控制系统设计[J].电脑知识与技术，2019，15（16）：288-289

作者简介：郭勇（1981年7月-），男，汉族，重庆铜梁人，博士，讲师，成都工业学院，研究方向：嵌入式系统、光电子学、微波光子学。