第二章 系统设计方案
2.1 需求分析
本系统要求在两轮自平衡小车自平衡的状态下，通过蓝牙无线传输技术，遥控实现两轮自平衡车移动行驶功能。本系统使用STM32F103C8T6作为平衡小车的主控芯片，实现以下功能要求：
（1）获取小车的平衡姿态，并进行姿态解算；
（2）使用PID算法控制两轮自平衡车，在静止和行驶的状态下保持自平衡；
（3）能够通过蓝牙无线传输技术使用手机APP蓝牙遥控操纵小车的行驶；
（4）OLED显示屏显示电池电容量等小车状态信息；
2.2 系统框架
本系统其核心控制器选用STM32F103C8T6单片机。由LM2596和AMS1117芯片组成的电源系统，提供各硬件稳定安全的工作电压环境。MPU-6050六轴传感器可测量出小车的车体行驶姿态。电机编码器可得到小车的移动速度。OLED显示屏显示车体姿态信息和电池电压状况。TB6612电机驱动模块负责驱动大电流直流电机运转。BT04-A蓝牙模块实现了两轮自平衡车和遥控器之间的无线通讯功能。其系统结构如图2.1所示。
图2.1 系统结构图
第三章 硬件系统设计
3.1 STM32最小系统设计
3.1.1 主控芯片
两轮自平衡车的系统工作时，需反复快速地读取陀螺仪、电机编码器等传感器的数据，并马上经过算法处理，输出控制量反馈控制到直流电机。因此，控制系统对主控芯片的处理速度以及运行内存要求较高。
本控制系统的主控芯片选取意法半导体公司（ST）生产的STM32F103C8T6型号单片机。其内核Cortex-M3由ARM公司设计。主要参数如表3.1所示。
表3.1 STM32C8T6参数表
工作电压 2V~3.6V
总线宽度 32位
速度 72 MHz
FLASH容量 64KB
RAM容量 20K
可以看到，其72MHz的速度和32位的总线宽度，满足了两轮平衡车控制系统对处理速度的要求，64 KB的FLASH存储器也是可以满足程序的存储。
如图3.1为STM32F10x的系统构架图。该图提供了STM32F103C8T6单片机内部的结构关系，外设资源一目了然，对STM32的运用与开发提供帮助。
图3.1 STM32F10x系列系统构架图
3.5 BT04-A蓝牙串口模块
3.5.1 BT04-A蓝牙串口模块概述
此设备使用BT04-A蓝牙模块。该模块采用蓝牙V2.1+EDR技术并且兼容UART接口。成本低，功耗低，接收灵敏性高。其外围电路只需少许几个元件，就能实现蓝牙无线传输的功能。
图3.7 BT04-A蓝牙串口通讯模块
第四章 软件系统开发
4.1 总体方案
软件系统开始时，初始化各函数，读取电压值，判断定时器是否定时时间到，如果定时时间未到则回到定时开始，如果定时时间到了，陀螺仪输出DMP数据，并转换为欧拉角，显示屏显示车体状态信息。判断自平衡启动按键是否按下，按键没有按下则循环检测按键，如果按键按下则进行PID运算，并以输出PWM 控制电机运转来控制小车自平衡。检测蓝牙是否连接，如果蓝牙已连接则点亮指示灯，接收指令，并输出对应PWM控制小车行驶状态，如果蓝牙没有连接，则回到自平衡启动按键的检测检。软件系统流程图如图4.1所示。
图4.1 软件系统流程图
第五章 两轮平衡小车关键算法
5.1 MPU-6050姿态解算
5.1.1 DMP输出四元数
四元数是一种超复数，代表一个加入旋转角的三维空间。其表达式为：
(5.1)
其中为实数，为虚部的实数。
MPU-6050自带硬件运动处理器DMP(Digital Motion Processing)，能够把原始角速度数据转换为四元数，这减轻了主控芯片STM32的工作负担。DMP的使用较为简单，只需下载其官方DMP驱动库文件，并移植到STM32即可。使用DMP得到各轴的加速度和角速度。需要注意的是DMP输出数据的格式为浮点数放大了倍的q30模式，需要将输出的数转化为浮点数，表达公式为：
5.1.2 欧拉角转换
欧拉角是用来确定某个围绕定点转动的刚体位置的一组三个独立角参量，可理解为由X轴上的滚转角(roll)、Y轴上的俯仰角(pitch)、Z轴上的航偏角(yaw) 组成。
此系统应用到pitch和roll两个参数。
pitch值转换式为：
(5.6)
roll值的转换式为：
(5.7)
第六章 系统测试
6.1 测试目的与测试环境
两轮自平衡车的系统功能实现需要通过各个功能模块相互配合完成的，为了保证两轮自平衡车控制系统的正常运转，需要对两轮自平衡小车不同模块与PID算法进行调试，确保系统的稳定性。本系统在瓷砖表面的房间里进行不同的测试。
6.2 电源系统检测
测试方法：两轮自平衡车控制主板接好电池后，打开电源系统总开关。使用万用表测量LM2596芯片的2号输出引脚与电源地之间的电压，再测量AMS111733的2号输出引脚与电源地之间的电压。
测试结果：LM2596芯片的2号输出输出电压为4.98V，如图6.1所示。AMS111733的2号输出引脚输出电压为3.3V，如图6.2所示。
结论：测试结果显示电源系统的功能正常。
图6.1 LM2596输出电压测试图
6.3 STM32最小系统测试
测试方法：使用Keil uVision5软件编写测试程序，控制LED灯以1S的时间间隔进行闪烁，编译并且通过ST-Link烧录器下载到两轮自平衡车控制主板的STM32芯片里，观察LED情况。测试结果如表6.1所示
表6.1 STM32最小系统测试
测试步骤 预期情况 实际情况 结论
控制主板上电 LED灯以1S的时间间隔进行闪烁 LED灯以1S的时间间隔进行闪烁 下载调试、时钟和IO功能正常
长按复位按键 LED灯熄灭 LED灯熄灭 复位功能正常
松开复位按键 LED灯恢复闪烁 LED灯恢复闪烁
图6.3 最小系统点灯图
6.6.4 PID调试小结
经过以上调试步骤，两轮自平衡车实现自平衡的功能，并且具有一定的抗干扰性能，平衡车直立图如图6.8所示。
图6.8 两轮平衡车自平衡图
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