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本次參賽作品是使用 STM32F103C8T6 主控模塊配合 MPU6050 六軸傳感器通過驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到自我平衡的智能小車。藍(lán)牙模塊使小車能夠受其他平臺設(shè)備的遠(yuǎn) 程遙控，在工作模式下可以實(shí)現(xiàn)自平衡，通過手機(jī)端的 APP 可以實(shí)現(xiàn)小車藍(lán)牙的搜索、連接以及對平衡車作前進(jìn)、后退、左（右）轉(zhuǎn)和左（右）旋的控制操作。在小車的運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)記錄傾角、距離、輪速等數(shù)據(jù)，工作的過程中實(shí)現(xiàn)自我微調(diào)，實(shí)時(shí)反饋等任務(wù)。

這些方案使得小車的控制不受地理位置的限制，人們可以使用熱用的藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)時(shí)化地操控小車的運(yùn)作，在當(dāng)今云技術(shù)發(fā)展迅速的浪潮下，使用云技術(shù) 與嵌入式技術(shù)的結(jié)合為將來機(jī)械智能化、自動(dòng)化提供了極大的參考價(jià)值。

2.1 特色概述平衡車是信息化社會(huì)下的產(chǎn)物，本次參賽的智能平衡小車以便于操作的原

則為起點(diǎn)，以促進(jìn)人們生活的便捷化為目的，實(shí)現(xiàn)了電腦端、手機(jī)端的遠(yuǎn)程操控。在電腦端的鍵盤控制的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步使用游戲手柄進(jìn)行控制，為家居娛樂提供了發(fā)展點(diǎn)，可用于制作家居智能機(jī)器人以及兒童二輪自走遙控車。在手機(jī)端的設(shè)計(jì)上，使用了當(dāng)前人們主流使用通訊設(shè)備——藍(lán)牙，來對設(shè)備進(jìn)行操控。其衍生發(fā)展可以將平衡車的模板加強(qiáng)為多軸飛行器，可應(yīng)用于航空拍攝、取景，安裝其他模塊插件又可以豐富其他功能，如：地形探索、天氣監(jiān)測、水質(zhì)檢測等。

在控制器方面，平衡車的電腦端、手機(jī)端的操控界面的友好設(shè)計(jì)將會(huì)給用戶帶來更好的體驗(yàn)，信息的實(shí)時(shí)智能顯示使得用戶可以時(shí)刻了解到具體的參數(shù)信息，能夠發(fā)現(xiàn)小車在一些環(huán)境下工作的錯(cuò)誤參數(shù)，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，糾正機(jī) 器的非正常因素。同時(shí)，在小車上也有相關(guān)的修補(bǔ)機(jī)制，用戶不必對所有的信息都需要了解，小車會(huì)自行檢測是否有超出正常范圍的參數(shù)并加以糾正，實(shí)現(xiàn)了設(shè) 備的智能化。

2.2 背景分析隨著計(jì)算機(jī)水平、信息技術(shù)水平、科技水平的不斷提高，越來越多的智能

設(shè)備進(jìn)入了人們的視野，在我們生活的社會(huì)環(huán)境中，已經(jīng)有許多品牌的平衡代步車面市，但國內(nèi)的平衡車市場仍處于初步發(fā)展的狀態(tài)對于市面上多數(shù)的平衡車而言，只是簡單實(shí)現(xiàn)了對捕捉人體體感來調(diào)整車的平衡，僅僅只是滿足了用戶的行車需求，并不是很完善。而且不能夠?qū)崿F(xiàn)遙控功能，特別是遠(yuǎn)程的遙控，對于一件產(chǎn)品而言功能顯得單一，缺乏市場競爭力。而且平衡車對于環(huán)境的要求也比較苛刻，并不能實(shí)現(xiàn)全天候，多地形的使用。對于用戶來說有著諸多的不方便，在不同環(huán)境下有著不同的潛在安全隱患。國內(nèi)的平衡車開發(fā)仍處于初級階段，在功能的開發(fā)上仍有許多方向可以加以研究。

如今環(huán)境變暖，環(huán)境問題愈加突出，為了減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，國家大力倡導(dǎo)綠色低碳生活，人們出行也都是使用便捷的交通工具。因此，平衡車的出現(xiàn)則為人們提供了一個(gè)新型的交通途徑，小而巧的平衡車能夠更加地方便于其他大型交通工具，受交通擁堵的影響也就小得多。而遙控功能的實(shí)現(xiàn)可以使得人們不需要時(shí)刻通過身體來調(diào)整車速和車的方向，是小車更加智能化，遙控也為將來的平衡車的導(dǎo)航功能提供了一個(gè)參考價(jià)值。

2.3 市場分析在過去的一年里，中國平衡車市場迎來了爆炸式的躍進(jìn)。科技的發(fā)展帶來了

設(shè)備的智能化，新智能設(shè)備相繼推出，并且隨著國內(nèi)消費(fèi)的不斷增長，市面上對于智能設(shè)備的購買力也逐步提升。在平衡車行業(yè)里，單平衡車的制造廠商就增至

500 多家，并且在平衡車的帶動(dòng)下，移動(dòng)電源、微型信號設(shè)備的也有了進(jìn)一步的發(fā)展。同時(shí)，相當(dāng)多的廠商加入平衡車的行業(yè)中參與發(fā)展和研究，其中以小米最為亮眼。數(shù)據(jù)顯示，2016 年全行業(yè)估算實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值超 209 億元人民幣，可見平衡車的市值還是很高的。在國家要求的城市智能化交通的建設(shè)要求也可以看出平衡車作為潛在的新型綠色交通，既符合發(fā)展的需求，也順應(yīng)了市場的變化。在國內(nèi) 生產(chǎn)的平衡車中絕大多數(shù)是用于向海外銷售的，而不是向國內(nèi)的客戶提供，而相較于 15 年的 138 億元以及 14 年的 26 億元來看，平衡車市場正處于飛速增長階段，市場含金量十足，國內(nèi)市場具有相當(dāng)大的潛力。

3.1 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整平衡車的平衡系統(tǒng)，我們需要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)重要的功能塊：

4) 終端控制。有了外接的傳感器來和處理器進(jìn)行協(xié)調(diào)，平衡車對于不同的工作情況能

作出不同的動(dòng)作反應(yīng)，例如：對于前方存在一個(gè)物體時(shí)，超聲波組件可以通過測算距離反饋給處理器，在碰撞到物體前停下來，避免碰撞帶來的損失。平衡車的防撞化功能能夠很好的被應(yīng)用于實(shí)際生活，給人們帶來便捷。

藍(lán)牙的通訊控制使平衡車突破了原有的控制體系，可以做到隔墻隔物遙控，一對一的連接以及連接的配對密鑰使得小車的控制更具有安全性。

3.2.1 信息采集為了實(shí)現(xiàn)小車直立行走，需要采集如下信號：

（3）小車轉(zhuǎn)動(dòng)速度陀螺儀信號，獲得小車轉(zhuǎn)向角速度，進(jìn)行方向控制。小車多數(shù)情況下需要使用兩者或兩者以上的數(shù)據(jù)來疊加進(jìn)行控制小車。

在小車控制中的直立、速度和方向控制三個(gè)環(huán)節(jié)中，都使用了PID控制，三種控制算法的輸出量最終都是通過疊加通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)來完成的。

3.2.2 角度調(diào)整平衡車之所以能夠控制前進(jìn)、后退與保持原味，是由于小車的角度測算

反饋來實(shí)現(xiàn)的。對于小車而言（非慣性系，以車輪作為坐標(biāo)原點(diǎn)）分析倒立擺受力，它會(huì)受到額外的慣性力，該力與車輪的加速度方向相反，大小成正

由于θ很小，所以進(jìn)行了線性化。假設(shè)負(fù)反饋控制是車輪加速度 a 與偏角θ成正比，比例為 k1。如果比例 k1>g，（g 是重力加速度）那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了。

在此回復(fù)力作用下，小車便進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。在空氣中運(yùn)動(dòng)的小車，由于受到空氣的阻尼力，小車最終會(huì)停止在垂直平衡位置。空氣的阻尼力與小車運(yùn)動(dòng)速度成正比，方向相反。阻尼力越大，小車越會(huì)盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。而為了讓小車能夠盡快回到垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力。增加的阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反，因此公式 1 可改為：

式中θ為小車角度,θ`為角速度，k1 k2 都是比例系數(shù)。根據(jù)上述內(nèi)容，建立速度的比例微分負(fù)反饋控制，根據(jù)基本控制理論討

論小車通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件（這里需要對控制理論有基本了解）。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角加速度 x（t）。沿著垂直于車模地盤方向進(jìn)行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運(yùn)動(dòng)加速度以及外力干擾加速度 a（t） x（t）之間的運(yùn)動(dòng)方程。

比例的控制量稱為微分控制（角速度是角度的微分）。因此，上面系數(shù)k1,k2分別稱為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相當(dāng)

于阻尼力，可以有效抑制車模震蕩。通過微分抑制控制震蕩的思想在速度和方向的控制中也同樣適用。

（2）可以控制車輪的加速度。由于上述控制在實(shí)際情況下得到的結(jié)果是小車與地面不是嚴(yán)格垂直，而

是存在一個(gè)對應(yīng)的傾角。所以，在重力的作用下小車會(huì)朝著一個(gè)方面加速前進(jìn)。所以為了保持小車的靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)，需要消除這個(gè)安裝誤差。這就需要我們在實(shí)際小車制作過程中需要進(jìn)行機(jī)械調(diào)整和軟件參數(shù)設(shè)置。

另外，小車的速度控制也需要通過微端的軟件來實(shí)現(xiàn)對速度的穩(wěn)定。因為在小車角度控制中出現(xiàn)的小車傾角偏差將會(huì)使得小車在傾斜的方向上產(chǎn) 生加速，這個(gè)結(jié)果可以用來進(jìn)行小車的速度控制。小車平衡控制也是通過負(fù) 反饋來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樾≤囉袃蓚€(gè)輪子著地，車體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā) 生傾斜。控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。

3.2.3 測速由于安裝誤差，傳感器實(shí)際測量的角度與車模角度有偏差，小車實(shí)際不

的方向加速前進(jìn)。控制速度通過控制小車的傾角來實(shí)現(xiàn)小車平衡。通過安裝在電機(jī)輸出軸上的光碼盤來測量得到小車的車輪速度。如圖所示。利用控制單片機(jī)的計(jì)數(shù)器測量在固定時(shí)間間隔內(nèi)速度脈沖信號的個(gè)數(shù)可以反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

給定小車直立控制的設(shè)定值，在角度控制調(diào)節(jié)下，小車將會(huì)自動(dòng)維持在一個(gè)角度。通過前面小車直立控制算法可以知道，小車傾角最終是跟蹤重力加速度 Z 軸的角度。因此小車的傾角給定值與重力加速度 Z 軸角度相減，最終決定小車的傾角，將數(shù)據(jù)交給核心處理器來處理。

小車在原地停止時(shí)速度應(yīng)該為 0。但是由于采用的是比例控制，如果此時(shí)陀螺儀有漂移，或者加速度傳感器安裝有誤差，最終小車傾角不會(huì)最終調(diào) 整到 0，小車會(huì)朝著傾斜的方向恒速運(yùn)行下去。此時(shí)小車不會(huì)像沒有速度控制那樣加速運(yùn)行了，但是速度不會(huì)最終為0。為了消除這個(gè)誤差，可以將小車傾角設(shè)定量直接積分補(bǔ)償在角度控制輸出中，這樣就會(huì)徹底消除速度控制誤差。由于加入了速度控制，它可以補(bǔ)償陀螺儀和重力加速度的漂移和誤差。此時(shí)小車在控制啟動(dòng)的時(shí)候，需要保持小車的垂直狀態(tài)。此時(shí)陀螺儀的積分角度也初始化為 0。

3.2.4 轉(zhuǎn)向控制通過左右電機(jī)速度差驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)向消除小車距離道路中心的偏差。通過

調(diào)整小車的方向，再加上車前行運(yùn)動(dòng)，可以逐步消除小車距離中心線的距離差別。這個(gè)過程是一個(gè)積分過程，因此小車差動(dòng)控制一般只需要進(jìn)行簡單的比例控制就可以完成小車方向控制。但是由于小車本身安裝有電池等比較重的物體，具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在調(diào)整過程中會(huì)出現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向過沖現(xiàn)象，如果不加以抑制，會(huì)使得小車過度轉(zhuǎn)向而倒下。根據(jù)前面角度和速度控制的經(jīng) 驗(yàn)，為了消除小車方向控制中的過沖，需要增加微分控制。

3) 有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí) 間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

4) 測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2; 本模塊一個(gè)控制口發(fā)一個(gè) 10US 以上的高電平,就可以在接收口等待

高電平輸出.一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值,此時(shí)就為此次測距的時(shí)間,方可算出距離.如此不斷的周期測,即可以達(dá)到你移動(dòng)測量的值。

初始化時(shí)將 trig 和 echo 端口都置低，首先向給 trig 發(fā)送至少 10 us 的高電平脈沖（模塊自動(dòng)向外發(fā)送 8 個(gè) 40K 的方波），然后等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時(shí)，打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，再次等待捕捉 echo 的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間。

測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2 據(jù)此就可以算出超聲波到障礙物的距離了。實(shí)物圖：

在 zs-040 模塊上有 2 種 AT 模式——“迷你”AT 模式和“全”AT 模式。一些命令只有在 pin34 為高電平時(shí)才起作用，當(dāng)引腳 34為低電平時(shí)，其他命令工作。

若進(jìn)入 AT 模式時(shí)將引腳 34 保持為高電平，則將啟用允許使用所有 AT 命令的“全”AT 模式，使用用戶定義的通信模式波特率也可以進(jìn)入 “全”AT 模式。

如果讓電源開啟后引腳 34 恢復(fù)為低電平，則會(huì)啟用“迷你”AT 模式。

TB6612FNG 是基于 MOSFET 的 H 橋集成電路，其效率高于晶體管 H 橋驅(qū)動(dòng)器。相比 L293D 每通道平均 600 mA 的驅(qū)動(dòng)電流和 1.2 A的脈沖峰值電流，它的輸出負(fù)載能力提高了一倍。

藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)的平衡車遙控主要是利用了小車上藍(lán)牙組件的物聯(lián)網(wǎng)控制功能，使得小車的控制上沒有流量、延時(shí)的限制，能實(shí)時(shí)操控，只需要下載手機(jī) APP，就可以自如地通過藍(lán)牙操控小車。相較于使用 WiFi 控制，藍(lán)牙不需要借助網(wǎng)絡(luò)，可以在無網(wǎng)的環(huán)境下控制小車。

手機(jī) APP 可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙開關(guān)對應(yīng)的打開或關(guān)閉藍(lán)牙。在打開藍(lán)牙后可識別對應(yīng)的藍(lán)牙建立連接，實(shí)現(xiàn)對小車的遙控。

生活總是在向著智能化、便捷化的方向發(fā)展著，在信息化的時(shí)代里，獨(dú)輪自平衡車符合這個(gè)趨勢，順應(yīng)了時(shí)代的潮流，有著良好的發(fā)展前景。平衡車相對于其他交通工具最獨(dú)特的特點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，小巧輕便。廢氣、尾氣的排放同樣也給國家?guī)砹酥T多的環(huán)境問題，霧霾、沙塵暴、熱島效應(yīng)等等的環(huán)境問題的罪魁禍首，最主要的就是工業(yè)廢氣和車輛尾氣的大量排放。平衡車作為一個(gè) 0 排放的新型交通工具必然是貼合綠色生活、綠色發(fā)展的理念，在市場上能有著獨(dú)特的銷售優(yōu)勢。當(dāng)今世界的另一個(gè)危機(jī)是能源危機(jī)，節(jié)能環(huán)保交通工具取代傳統(tǒng)是必然趨勢，這也就給平衡車的發(fā)展提供了廣闊的空間。

但是，在現(xiàn)如今的平衡車行業(yè)中，平衡車技術(shù)并不是很先進(jìn)，平衡車仍存在諸多問題，既有著安全因素所帶來的危險(xiǎn)性，也有著國家交通法規(guī)的限制，平衡車在國內(nèi)的發(fā)展仍處于起步狀態(tài)，對于平衡車的發(fā)展來說有大的提升空間。

隨著人類社會(huì)越來越智能化，智能家居、智能穿戴、智能辦公逐漸普及，智能電動(dòng)平衡車也已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活。智能平衡車可謂是代步工具類中最新的智能產(chǎn)品。智能類的產(chǎn)品總給人一種異常方便、簡潔優(yōu)雅的感覺，電動(dòng)平衡車也是如此。

事實(shí)上，電動(dòng)平衡車最近兩年在全世界、尤其是中國市場有著非同一般的發(fā) 展速度，但是現(xiàn)如今是一個(gè)智能化發(fā)展的時(shí)代，智能電視、智能汽車、智能手環(huán)、智能手表等等一系列智能產(chǎn)品已經(jīng)開始占據(jù)人們的生活，智能硬件已經(jīng)成為這個(gè) 時(shí)代不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。電動(dòng)平衡車作為新一代的可穿戴設(shè)備，必將被這股智能潮流挾裹而去。

在如今的電動(dòng)平衡車行業(yè)中，智能化必定是平衡車未來的發(fā)展浪頭，畢竟它是現(xiàn)在唯一一個(gè)智能化全電動(dòng)而且有望很快全民化的代步工具。

電動(dòng)平衡車成為智能硬件，已經(jīng)是僅僅隔著一層紗。電動(dòng)平衡車如果成長為一款非常成熟完善的智能硬件，將有著許多獨(dú)一無二的優(yōu)勢。它將在解決人們出行問題的同時(shí)，利用在路上的時(shí)間完成對個(gè)人生活的私人定制，所以智能化將是平衡小車的未來發(fā)展。

但目前平衡車仍有諸多的挑戰(zhàn)，比如安全問題，交通法規(guī)問題，這些都可以作為平衡車行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)考核來發(fā)展，這些既是困難也是挑戰(zhàn)。

近年來霧霾的肆虐讓人們更加關(guān)注環(huán)保出行，自行車太慢，電動(dòng)摩托車太多，而平衡車正好彌補(bǔ)了這個(gè)領(lǐng)域的空白。目前生產(chǎn)的平衡車是以清潔能源電能驅(qū)動(dòng) 的，這將大大減少了碳排放。在關(guān)于平衡車的驅(qū)動(dòng)能源的方面來看，現(xiàn)在世界上清潔能源的不斷推出使用使得平衡車能夠以更多的姿態(tài)出現(xiàn)在我們的未來社會(huì) 中，平衡車的能源方面一樣有著不小的發(fā)展價(jià)值。

#include "mpu6050.h"
#include "i2c_mpu6050.h"
#include "motor.h"
#include "upstandingcar.h"
#include "SysTick.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"
#include "i2c.h"
//#include "outputdata.h"
#include "timer.h"
#include "UltrasonicWave.h"
//#include "stm32f10x_usart.h"
float gyz;
int acc;
int acc1;
//extern u8 newLineReceived = 0;
int main(void)
{
SystemInit(); //=====系統(tǒng)初始化
Timerx_Init(5000,7199); //定時(shí)器TIM1
UltrasonicWave_Configuration(); //超聲波初始化設(shè)置 IO口及中斷設(shè)置
USART1_Config(); //串口1初始化上位機(jī)
USART3_Config(); //串口3初始化藍(lán)牙與USART3公用相同IO口
TIM2_PWM_Init(); //PWM輸出初始化
MOTOR_GPIO_Config(); //電機(jī)IO口初始化
LED_GPIO_Config();
// TIM3_External_Clock_CountingMode(); //左電機(jī)脈沖輸出外部中斷口PA7使用TIM3定時(shí)器用作為脈沖數(shù)計(jì)算
// TIM4_External_Clock_CountingMode(); //右電機(jī)脈沖輸出外部中斷口PB7使用TIM4定時(shí)器用作為脈沖數(shù)計(jì)算
TIM3_Encoder_Init(); //編碼器獲取脈沖數(shù) PA6 7
TIM4_Encoder_Init(); //編碼器獲取脈沖數(shù) PB6 7
////////////////////DMP/////////////////////////////////
i2cInit(); //IIC初始化用于掛靠在總線上的設(shè)備使用
delay_nms(10); //延時(shí)10ms
MPU6050_Init(); //MPU6050 DMP陀螺儀初始化
SysTick_Init(); //SysTick函數(shù)初始化
CarUpstandInit(); //小車直立參數(shù)初始化
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //使能總算法時(shí)鐘
while (1)
{
// GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
MPU6050_Pose(); //獲取MPU6050角度狀態(tài)
// gy0=gyro[0];
// UltrasonicWave_StartMeasure(); //調(diào)用超聲波發(fā)送程序給Trig腳 <10us 高電平
// chaoshengbo(); //計(jì)算超聲波測距距離
// printf("%d",ucBluetoothValue);
// printf("\t");
// printf("%f",BST_fSpeedControlOutNew);
// printf("\t");
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// printf("%f",BST_fLeftMotorOut);
// printf("\t");
// printf("\n");
if (newLineReceived)
{
ProtocolCpyData();
Protocol();
}
/*通過狀態(tài)控制小車*/
CarStateOut();
SendAutoUp();
}
}

復(fù)制代碼

Register （hex）	Register （Decimal）	Bit7	Bit6	Bit5	Bit4	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
1B	27	XG_ST	YG_ST	ZG_ST	FS_SEL[1;0]		-	-	-

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