#第十届立创电赛#基于STM32F103C8T6的二轮平衡小车 - 立创电子设计大赛

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赛事

第十届立创电子设计开源大赛

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GPL 3.0

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描述

<div> <h3 style="line-height:1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr> 本项目旨在设计并实现一个能够自主保持动态平衡的两轮小车。该小车以意法半导体的STM32F103C8T6微控制器为核心，通过MPU6050传感器感知自身的姿态角速度和角度，采用经典的PID控制算法计算出维持平衡所需的电机控制量，并通过TB6612电机驱动模块驱动两个带编码器的直流电机，从而形成一个闭环反馈系统，实现小车的直立平衡。 核心功能： 通过MPU6050实时采集小车姿态数据。 利用STM32进行传感器数据融合（如互补滤波）和PID控制计算。 通过TB6612驱动电机，产生平衡所需的扭矩。 实现小车在静止状态下的自主平衡。 （可选扩展）通过手机蓝牙控制器实现小车的前进、后退和转向控制。 <h3 style="line-height:1.8;">*2、项目属性</h3> <hr> 首次公开状态：本项目为首次公开 是否原创：原创 获奖情况：项目尚未参与任何正式比赛或评奖活动 <h3 style="line-height:1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr> GPL3.0 <h3 style="line-height:1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr> 本项目的硬件系统设计如下： 1. 核心控制单元 主控制器：采用STM32F103C8T6最小系统板 通过20针排母（H1, H2）与主板连接，便于调试和更换 承担所有核心计算任务：MPU6050数据处理、PID算法运算、PWM生成、编码器计数等 丰富的GPIO和定时器资源完美支持多路PWM输出和编码器接口 2 .电源管理系统 采用两级降压架构，确保系统稳定供电： 主电源输入：XT60PW M接口（U3） 连接大容量锂电池（推荐7.4V-12V） XT60接口支持大电流传输，满足电机瞬时大电流需求 一级降压：专用降压模块（电源一1） 输出3.3V/3A，为系统数字部分供电 3A大电流容量确保STM32、传感器、显示模块稳定工作 二级稳压：AMS1117-3.3（U2） 作为辅助稳压，可能用于对噪声敏感的数字电路 提供更加纯净的3.3V电源 电源滤波： 10μF（C1, C4）和100nF（C2, C3）电容组合 实现高频和低频噪声滤波，提高系统抗干扰能力 3. 姿态感知系统 核心传感器：GY-521模块（MPU6050） 通过I2C接口与STM32通信 提供三轴加速度和三轴角速度数据 模块化设计便于安装和更换 4. 电机驱动系统 驱动芯片：TB6612FNG（U4） 驱动两个520编码电机 相比L298N效率更高、发热更小 支持1.2A持续电流，满足520电机需求 电机接口：XH-6AW连接器（CN2, CN3） 每个接口连接一个520编码电机 包含电机电源线和编码器信号线 5. 人机交互接口 显示模块：0.96英寸OLED（OLED1） 4针接口，采用I2C通信 实时显示小车状态：角度、速度、PID参数等 状态指示：绿色0805 LED（LED1） 用于系统状态指示 调试接口：4针排母（H9） 可能用于SWD调试或串口通信 6. 通信模块 蓝牙模块：HC-05（BLUE1） 通过6针排母连接 实现无线通信，支持手机APP遥控或参数调整 7. 扩展与测试接口 多种测试点：3.3V、 5V、12V、 G 便于电压测量和信号调试 支持外接扩展模块 8. 硬件设计特点分析 优势： <ul> <li>模块化设计：各功能模块独立，便于调试和维修</li> <li>电源冗余：多级电源设计，提高系统稳定性</li> <li>接口丰富：预留多种调试接口，方便开发测试</li> <li>抗干扰设计：合理的电容配置，增强系统可靠性</li> </ul> 注意事项： <ul> <li>电源布线：电机电源线与信号线应分开布线，减少干扰</li> <li>接地设计：建议采用星型接地或单点接地</li> <li>散热考虑：TB6612和AMS1117需要适当散热</li> <li>接口防反：电机接口建议做防反插设计</li> </ul> 9、预期性能指标 供电电压：7.4V-12V锂电池 控制频率：基于STM32的72MHz主频，预计控制循环可达500Hz-1kHz 通信接口：I2C（MPU6050, OLED）、UART（蓝牙）、PWM（电机控制） 扩展能力：预留多个测试点，支持功能扩展 该硬件设计为软件算法提供了稳定可靠的平台，能够满足二轮平衡小车对实时性、稳定性和精度的要求。 10.原理图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LdlgzTybqYOT0YLUnmJdVOvrkls8uW7m9pNqiQQv.png" alt="LdlgzTybqYOT0YLUnmJdVOvrkls8uW7m9pNqiQQv.png"> <h3 style="line-height:1.8;">*5、软件部分</h3> <hr> 本系统采用模块化分层架构，基于STM32CubeMX生成初始化代码，在Keil MDK-ARM环境下开发。软件系统分为驱动层、算法层、应用层三个主要层次。 <pre> </pre> 应用控制层 <ul> <li>主控制循环管理模块：负责协调整个系统的运行节奏和任务调度</li> <li>系统状态机管理模块：实现多状态切换逻辑，包括初始化、就绪、运行、保护、校准等状态</li> <li>人机交互逻辑模块：处理用户输入和系统信息输出的协调工作</li> <li>高级任务调度器：管理不同优先级任务的执行顺序和时间分配</li> </ul> 算法处理层 <ul> <li>串级PID控制算法模块：实现角度环、速度环、转向环的三环控制结构</li> <li>多传感器数据融合模块：负责MPU6050和编码器数据的协同处理</li> <li>自适应滤波算法模块：包括互补滤波、卡尔曼滤波等多种滤波算法</li> <li>系统安全保护算法：倾角限制、速度限制、故障检测等安全机制</li> </ul> 硬件驱动层 <ul> <li>外设抽象接口模块：统一各类外设的操作接口</li> <li>传感器驱动模块：MPU6050、编码器的底层驱动和通信协议</li> <li>执行器驱动模块：TB6612电机驱动的PWM生成和方向控制</li> <li>通信接口模块：I2C、UART、SPI等通信协议的实现</li> </ul> 平衡小车软件系统核心模块 姿态传感器数据处理： MPU6050陀螺仪和加速度计数据通过DMP运动处理库进行实时传感器融合，输出稳定的欧拉角姿态数据。系统以100Hz频率读取三轴角速度和加速度原始值，通过四元数解算获得精确的俯仰角(pitch)、滚转角(roll)和偏航角(yaw)，为平衡控制提供准确的姿态反馈。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 姿态数据获取与处理 void Attitude_Data_Processing(void) { mpu_dmp_get_data(&pitch, &roll, &yaw); // DMP姿态解算 MPU_Get_Gyroscope(&gyrox, &gyroy, &gyroz); // 原始角速度 MPU_Get_Accelerometer(&aacx, &aacy, &aacz); // 原始加速度 }</pre> </div> 编码器速度反馈： 左右电机编码器通过STM32定时器编码器接口实时捕获脉冲信号，计算电机实际转速。编码器计数方向经过校准补偿，确保两轮速度反馈的一致性，为速度环控制提供精确的速度反馈量。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 编码器速度读取 void Encoder_Speed_Reading(void) { Encoder_L = Read_Speed(&htim2); // 左编码器正方向 Encoder_R = -Read_Speed(&htim4); // 右编码器方向补偿 }</pre> </div> 三环串级PID控制架构： 系统采用速度环→直立环→转向环的串级控制结构。速度环作为外环抑制小车位置漂移，直立环作为核心环维持平衡状态，转向环辅助消除偏航误差，实现稳定的自平衡控制。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 串级PID控制器 void Cascade_PID_Control(void) { // 速度环PI控制 - 抑制位置漂移 Velocity_out = Velocity(Target_Speed, Encoder_L, Encoder_R); // 直立环PD控制 - 核心平衡控制 Vertical_out = Vertical(Velocity_out + Med_Angle, roll, gyrox); // 转向环PD控制 - 消除偏航误差 Turn_out = Turn(gyroz, Target_Turn); }</pre> </div> 直立环平衡控制： 直立环采用PD控制算法，以融合后的滚转角(roll)作为主反馈量，角速度(gyrox)作为微分项输入。比例项提供恢复力矩，微分项抑制振荡，共同维持小车的动态平衡。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 直立环PD控制器 int Vertical(float Med, float Angle, float gyro_Y) { int temp; temp = Vertical_Kp * (Angle - Med) + Vertical_Kd * gyro_Y; return temp; }</pre> </div> 速度环抗漂移控制： 速度环采用带低通滤波的PI控制器，对编码器速度数据进行平滑处理。积分项配备抗饱和机制，急停时自动清零积分累积，防止积分饱和导致控制失效。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 速度环PI控制器 int Velocity(int Target, int encoder_L, int encoder_R) { static float a = 0.7; // 低通滤波系数 static int Err_LowOut_Last, Encoder_S; Err = (encoder_L + encoder_R) - Target; // 速度偏差 Err_LowOut = (1-a)*Err + a*Err_LowOut_Last; // 低通滤波 Encoder_S += Err_LowOut; // 积分累积 // 积分限幅与急停清零 Encoder_S = Encoder_S > 20000 ? 20000 : Encoder_S</pre> <div> <pre>}</pre> </div> 电机差速转向控制： 转向环基于偏航角速度(gyroz)计算转向补偿量，通过调整左右电机PWM输出差值实现精确转向控制。转向输出与直立输出合成后，分别驱动左右电机。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 转向控制与电机输出 void Motor_Output_Control(void) { PWM_out = Vertical_out; // 基础平衡输出 MOTOR1 = PWM_out - Turn_out; // 左电机合成 MOTOR2 = PWM_out + Turn_out; // 右电机合成 Limit(&MOTOR1, &MOTOR2); // PWM限幅保护 Load(MOTOR1, MOTOR2); // 电机驱动输出 }</pre> </div> 实时控制调度： 控制系统通过外部中断实现严格的10ms定时控制，确保100Hz的控制频率。每个控制周期内顺序执行传感器读取、数据处理、PID计算和电机输出，保证控制的实时性和稳定性。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 10ms控制中断服务函数 void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_5) { control(); // 执行完整控制流程 } }</pre> </div> 安全保护机制： 系统通过软件限幅保护电机驱动，PWM输出限制在安全范围内。急停标志触发时立即清零速度环积分项，快速响应紧急停止指令，确保系统安全。 <div> <div> <div> <div> <div>c</div> </div> </div> </div> <pre>// 电机安全保护 void Motor_Safety_Protection(void) { Limit(&MOTOR1, &MOTOR2); // PWM输出限幅 if(stop == 1) { // 急停处理 Encoder_S = 0; // 积分项清零 stop = 0; } }</pre> </div> 参数整定核心： <ul> <li> 直立环参数：Vertical_Kp=300（快速响应），Vertical_Kd=2.2（抑制振荡） </li> <li> 速度环参数：Velocity_Kp=-0.44（速度跟踪），Velocity_Ki=-0.0022（消除静差） </li> <li> 平衡点偏移：Med_Angle=-0.5（机械平衡点校准） </li> </ul> *6.BOM清单 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/KX19r7eFVd8WTi5tQOrIna6v5BW1zHkFeMI3nDXR.png" alt="KX19r7eFVd8WTi5tQOrIna6v5BW1zHkFeMI3nDXR.png"> *7、大赛logo验证 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ditpF7CF3VawygqMles13rRL12xxsoa8ywQcWwDz.jpeg" alt="ditpF7CF3VawygqMles13rRL12xxsoa8ywQcWwDz.jpeg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/MYghY5U4JXVBZuhXja04MG9Ynu5XplRw0yt23vth.png" alt="MYghY5U4JXVBZuhXja04MG9Ynu5XplRw0yt23vth.png"> </div> </div>