第３２卷第６期 ２０１７年ｌ２月 北京信息科技大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ（）１．３２ ＮＯ．６ Ｄｅｃ．２Ｏｌ７
文章编号：１６７４—６８６４（２０１７）０６—００７４—０５ ＤＯＩ：１０．１６５０８／ｊ．ｃｎｋｉ．１１—５８６６／ｎ．２０１７．０６．０１６
基于ＳＴＭ３２自平衡车系统设计
王世峰
（北京信息科技大学 自动化学院，北京１００１９２）
摘 要：针对两轮自平衡车的多变量、非线性、本质不稳定、高耦合的运动控制特点，提
出了利用ＳＴＭ３２控制两轮平衡车系统方案，通过相关控制算法来对其进行平衡控制。其主要由主 控ＭＣＵ模块、姿态测量模块、蓝牙通讯模块、直流电机模块和电源模块组成。姿态测量模块将测 量的数据传送给主控ＭＣＵ模块，通过卡尔曼滤波算法对采集的数据处理得到小车姿态信息，然后
应用ＰＩＤ算法进行处理，将处理的控制命令发送给直流电机的驱动模块，驱动模块直接控制直流 电机的转速，产生向前或向后的加速度，来达到小车的自平衡。实验证明其工作性能良好，实现了
其设计目标。 关 键 词：自平衡；姿态检测；ＰＩＤ算法；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥｒｒ６；卡尔曼滤波 中图分类号：ＴＰ ２１１ 文献标志码：Ａ
Ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２
ＷＡＮＧ Ｓｈｉｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｆｍｖｎａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｓｅｌｆ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ｕｎｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ａ ｐｌａｎ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ｉｓ
ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ＭＣＵ ｍｏｄｕｌｅ，ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ＤＣ ｍｏｔｏｒ
ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ＭＣＵ．Ｖｅｈｉｃｌｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｋａｌｍａｎ
ｆｉｌｔｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｍａｎｄｓ ｔｏ ｓｅｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ
ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＤＣ ｍｏｔｏｒ，ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｏｒ ｂａｃｋｗａｒｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｅｌｆ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｇｏｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｇｏａｌ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ—ｂａｌａｎｃｅ；ａｔｔｉｔｕｄｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６；Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ
０ 引言
控制技术的快速发展，加快了移动机器人方面
的研究。目前，移动机器人 面临着一些新挑战。 例如面对一些空间狭窄、无法转角的空间，提出了两 轮自平衡机器人＿２ 概念，进而发展出了可以代步的
两轮自平衡车 。
根据两轮自平衡车的工作原理，本文作者设计 了一种嵌入式运动控制系统，使用运动传感器来实 现车体倾角和倾角角速度的测量，利用相应的算法
收稿日期：２０１７－０４－ｌ１ 作者简介：王世峰，男，硕士研究生。 来精确地计算小车实时的姿态信息，通过ＰＩＤ控制
算法来实现小车的自平衡控制。
１ 系统总体架构
本文设计的两轮平衡车系统主要南主控ＭＣＵ
模块、姿态测量模块、蓝牙通讯模块、直流电机模块、 电源模块构成。主控ＭＣＵ模块和姿态测量模块是
电气部分的核心，上面包含ＳＴＭ３２控制芯片 、 ＭＰＵ６０５０陀螺仪、ＨＣ－０５主从一体蓝牙模块、
ＴＢ６６１２ＦＮＧ直流电机驱动模块等。ＭＰＵ６０５０负责 第６期 王世峰：基于ＳＴＭ３２自平衡车系统设计 ７５
测量姿态，并以数字电信号传递给ＳＴＭ３２单片
机 ，ＳＴＭ３２按照预定的控制规则分析计算，输出 控制信号到ＴＢ６６１２ＦＮＧ直流电机驱动，从而实现控
制电动机作出相应动作而实现平衡目的。其系统结
构如图１所示。
图１系统结构框图
２硬件设计
２．１ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴｌ６最小系统以及外扩芯片
ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６芯片外围电路连接了２个不
Ｕ５
ＶＣＣ ＶＣＣ
ＧＮＤ ＧＮＤ Ｓ６１ＬＶ５１２１ 同频率的晶体振荡器，外部高频晶振为８ ＭＨｚ，用作 ＰＬＬ倍频用，外部低频晶振为３２ ｋＨｚ，主要用于系统
待机或低功耗时用。电路中设计的ＬＥＤ用于显示
电源及程序下载状态。复位功能键可解决程序出现 意外时的问题。ＶＲＥＦ用于设置芯片的参考电压。
为了两轮自平衡车后续功能的开发，对数据存储的 要求，在设计最小系统硬件时额外添加了部分外扩
存储芯片，其中包括一个８ ＭＢ的外扩Ｆｌａｓｈ ｗ２５Ｘ１６，一个１ ＭＢ的外扩ＳＲＡＭ ＩＳ６１ＬＶ５１２１６芯
片，一个８ ｋＢ的ＥＥＰＲＯＭ ＡＴ２４０８Ｃ。最小系统如图
２所示，部分外扩存储芯片电路，如图３所示。
图２ ＳＴＭ３２Ｆ１０３最小系统图
ＶＣＣ
图３部分外扩存储芯片图
２．２电源模块 ＴＢ６６１２ＦＮＧ电机驱动模块采用１２ Ｖ锂电池作
为两轮自平衡车的动力源。采用ＬＭ２５９６Ｓ将１２ Ｖ 转换成５ Ｖ电源。单片机电源电路采用ＡＭＳ１１１７－
３．３稳压芯片将电压降到３．３ Ｖ，为单片机供电。电
源模块电路如图４所示。 ２．３姿态测量模块
姿态采集装置采用ＭＰＵ６０５０。采用的 ＭＰＵ６０５０是９轴运动处理传感器，可完成对３轴加
速度、３轴角速度、３轴姿态角度的测量。ＭＰＵ６０５０ 中的３个１６位的ＡＤＣ用来将芯片测量的模拟电信
号转化为稳定可输出的数字电信号，通过Ｉ２Ｃ接口 可以输出一个９轴的数字电信号。可选外部时钟输
入３２．７６８ ｋＨｚ或１９．２ ＭＨｚ。ＭＰＵ６０５０引脚功能如
表１所示。 Ｏｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ Ｏ１ ２ ３４ ５ ６ ７ 日】Ｅ＿Ｔ Ｅ一巳 舵 Ｍ＝２ 能 枷川 枷 枷 旺 皿哑呲 Ｏ●２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ｍ¨ ＢＨ ｍ 的 的的的 ～～一一一～～～～～～～～～ＰＰＰＰ Ｐ Ｐ Ｐ Ｐ ＰＰＰＰＰＰ
７６ 北京信息科技大学学报 第３２卷
Ｕ４ ｒＮ ＯＵＴ ＧＮＤＯＵＴ ＡＭＳＩ１１７ ，一 …～ 【３３０￣ｔＦ － —— ———————————
图４电源模块电路
表１ ＭＰＵ６０５０引脚功能表 名称 功能 ＶＣＣ 模块电源，接３．３ Ｖ或５ Ｖ直流电源 ＲＸ 串行数据输入端，１ＴｒＬ电平 ＴＸ 串行数据输出端，ＴＴＬ电平 ＧＮＤ 地线 ＳＣＬ １ Ｃ时钟线 ＳＤＡ Ｉ Ｃ数据线 Ｃ２１ Ｃａｐ １０４
２．４直流减速电机模块
ＳＫ３５３０是直流减速电机，减速比１：３０。直流 减速电机接线方法，从白线到蓝线依次为：白线接Ａ
相；绿线接Ｂ相；红线接３．３ Ｖ至５Ｖ电源；黑线接
ＧＮＤ；黄线和蓝线为电机２根接线柱的线，接 ＴＢ６６１２ＦＮＧ电机驱动的Ａ０１、Ａ０２或Ｂ０１、Ｂ０２。
电机正反转控制：正转Ａ相超前Ｂ相９０度，即
Ａ相进入下降沿，Ｂ相是高电平，反转时Ａ相落后Ｂ 相９Ｏ度，即Ａ相进入下降沿，Ｂ相是低电平。通常
用法：Ａ相接人单片机的１０中断口，Ｂ相接人单片 机的普通１０口。
ＳＫ３５３０在６ Ｖ和１２ Ｖ电压下的参数，如表２ 所示。
Ｐ１ ８ ６ ４
ｌ Ｉ４ｅａｄｅｒ 表２ ＳＫ３５３０在６ Ｖ和ｌ２ Ｖ电压下的参数
２．５直流电机驱动模块
本设计采用ＴＢ６６１２ＦＮＧ直流电机驱动模块，有
４种电机状态：正转、反转、停止、制动。ＰＷＭ最高 支持１００ ｋＨｚ，可以独立双向控制２个直流电机。
ＴＢ６６１２ＦＮＧ的使用方法：ＳＴＢＹ连接ＡＲＭ单片
机的ＩＯ，低电平时，电机停止转动，通过对ＡＩＮＩ、
ＡＩＮ２、ＢＩＮ１、ＢＩＮ２四个端口赋高低电平来控制正反
转，ＶＭ口需要连接１２ Ｖ以内直流电源，ＶＣＣ接５ Ｖ
直流电源，ＧＮＤ为接地端。Ａ０１、Ａ０２、Ｂ０Ｉ、Ｂ０２分
别接２个电机的２个脚，ＰＷＭＡ接单片机的ＰＡ６
口，ＰＷＭＢ接单片机的ＰＡ７口。
驱动１路ＡＩＮ１、ＡＩＮ２和驱动２路ＢＩＮ１、Ｂ１Ｎ２
真值表如表３所示。ＴＢ６６１２ＦＮＧ模块内部电路如 图５所示。
表３驱动１路ＡＩＮ１、ＡＩＮ２和驱动２路ＢＩＮ１、ＢＩＮ２真值表
２．６蓝牙通讯模块 手机端发出的姿态控制信号，由平衡车的ＨＣ．
Ｏ５主从一体蓝牙模块控制。ＨＣ－０５主从一体蓝牙 模块主要用于短距离的无线通讯。蓝牙模块是由监
牙芯片、ＰＣＢ板、外围电路元件等几部分构成。ＨＣ
ＶＣＣ
：ＬＣ１上Ｃ２ ∞ Ｌ ．１ —Ｌ０．１ｇＦ＿】１０￣ｔＦ
ＧＮＤ ＧＮＤ ＧＮＤ
ｌ ２
４ ５ Ｊ ６ ． ７ Ｉ Ｒ ９ １０ ８ ． １ １ Ｉ １ ２
图５ ＴＢ６６１２ＦＮＧ模块内部电路图 Ｐ２ １ ２ ３ ４ ５ ６
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