基于双轮自平衡小车的PID参数验证平台的设计

1万 · 2019-4-30 21:45

1万 · 2019-4-30 21:45

参数调节器主要由以下几部分构成:
(1) OLED显示模块:显示双轮自平衡小车的状态参数以及可调、可控的参数。
<2)电源模块:为遥控电路部分提供稳定电源。
(3)按键模块:用于显示界面的切换和对小车PID参数的实时调节和在线控制。
(4)无线接收发射模块:接收小车回传的车体参数，同时发送控制指令。
(5)串口调试模块:用于和PC端通信显示参数，方便调试系统和编写程序。
参数调节器选STC公司的51内核8位单片机STCI2CSA60S2作为核芯的控制处理器，
其电路控制框图如3.2所示。

1万 · 2019-4-30 21:46

GD32F103RET6是国产32单片机，在软件上完全兼容甚至在某些功能上远超意、法半导
体公司的STM32F103RET6单片机。GD32F 103RET6能够兼容多种外设模块并具有非常丰富
的内部资源，非常适合控制双轮小车的直立运行、前后行进和左右转向。如图3.3显示该单
片机的内部资源情况。

1万 · 2019-4-30 21:51

为保障系统的可靠运行，主控板的最小系统至关重要，GD32F103RET6需要外部的时钟，
给实时时钟提供时钟源，所以需要外部8MHz的晶振。除此最小系统还要复位电路，程序调
试下载电路。根据本系统的控制需要配置的最小系统电路非常简洁，主要由复位电路，程序
下载电路，电源灯部分构成，如图3.4所示。

1万 · 2019-4-30 21:54

1万 · 2019-4-30 21:55

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MPU-6500传感器具有的一些特殊特征如下l20]:
<1)通过数字接口输出3轴角速度、3轴角加速度、旋转矩阵、四元数、欧拉角融合后
   的数据。
(2)内部集成的3轴角速度传感器具有131 LSBs/sec的灵敏度，同时具有全格感应范围，
   其范围为:士250 g/sec、士500 g/sec、士1000 g/sec、士2000g/sec o
(3)内部集成的加速度计可进行程式控制，其程式控制范围为士2g、士4g、士8g、士
   16go
(4)实时移除加速度和角速度传感器之间的敏感度，降低相互之间的影响和陀螺仪的
   温飘。
(5)数字运动处理单元可以降低数据融合的算法复杂度。
(6)提供给开发者使用的API数据库支持安卓、嵌入式和PC的应用。

1万 · 2019-4-30 21:56

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OLED是液晶显示器中的一种，它是一种有机电激发二极管。OLED的厚度仅为LCD屏
幕的三分之一，最小的厚度可以做到小于1 mm，重量非常轻，制作工艺简单，成本低廉。
本设计选用的OLED是应用广泛的点阵12864。液晶显示一些参数的设置如下:angle mid:
平台垂直状态下的角度中值;P一 angle:直立状态下调节平衡PID参数中的比例系数;Dee angle:
直立状态下调节平衡PID参数中的微分系数;P Speed:行进状态下调节速度PID参数中的
比例系数;I Speed:行进状态下调节速度PID参数中的积分系数;D Speed:行进状态下调
节速度PID参数中的微分系数;speed set:平台运行的当前速度;Pes Dir:转向状态下调节方
向PID参数中的比例系数[Z}}a OLED
数显示更加直观，便于对变量的调节，
效果如图3.7所示，能显示我们需要的一些信息，使参
有助于系统的调试加快程序的编写速度。

1万 · 2019-4-30 21:57

双轮自平衡小车和遥控器之间的通信是通过无线模块实现的。本系统选取的是一款工作
在2.4G频段单片收发芯片NRF24L01。此无线收发器由模式控制器、频率发生器、功放、调
制解调器、功率选择器等部分构成。对NRF24L01的控制接口是SPI，并且可以通过SPI接口
设置电流的消耗。NRF24L01的链路层完全集成在芯片上，具有自动重发、自动检测、重发
丢失数据包、自动存储应答信号、自动应答等功能[(22]。而且NI}.F24L01对于重发次数和重发
数据的间隔等参数都可以自主设置。NRF24L01一方面在距离上可以满足控制需求，另一方
面可以避免有线传输线对教学平台调试的限制。基于以上考虑，本系统最终选用了NRF24LOla
本设计使用的是四线制的SPI通信方式，即SPI2 SCK, SPI2 MOSI, SPI2 MISO, SD CS o
其实物物图如下图3.8所示:

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SD是芯片的使能信号，将两个半桥的使能接在一起，对使能端施加PWM控制信号来
控制电机转速。两个半桥的输入端用来控制电机的正反转，例如U9的EN给高电平，U10的
EN给低电平，此时电机为正转，相反则为反转。这个电路特别适合大功率的电机使用，因为
它在关断、开启时会自动添加一个延时，如图3.11所示，这个延时十分重要，此延时可以保
证开关器件完全关断[24]。此电机驱动芯片虽然功能强劲，但是由于其要驱动 MOSFET所以还
需要升压电路来配合它使用才能达到理想效果。本文采用MC34063芯片来搭建升压模块。由
于系统电机功率不大，所以设计改变了驱动方案，选用了L298n芯片作为驱动，它的要求相
对IR2104简单的多，其电路如图3.12所示:

1万 · 2019-4-30 22:12

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双轮自平衡小车的体积小，质量轻，不需要特别大的驱动力矩和驱动电流。综合考虑本
设计最终采用的是L298n驱动方案。L298n芯片内部集成了两个全桥电路，可以实现电机的
调速、正反转控制等，操作简单且调速范围广。PWM的调速是依据面积等效原理而来的即周
期性的控制MOS管的导通截止，导通时间t与控制周期T的比值就是加在被控电机两端的电
压，即a=t/T(占空比)。加在电机两端的电压直接决定了电机的转速，占空比越大电机转速
越高。在硬件电路的连接上，本文将JS和J6接口分别连接到L298n的IN 1 }IN4上，通过改
变JS和J6接口的高低电平变化以控制电机的旋转方向，通过改变使能端接口上的高低电平
的占空比以控制电机的转速。