怎样通过手机蓝牙APP去控制两轮自平衡车呢

　　2 系统总体方案设计
　　2.1 设计主要工作及基本要求
　　本次课程设计的主要任务是通过设计软硬件以及相应蓝牙控制APK程序，远程控制两轮小车实现各种自平衡运动，运动状态包括前进、后退、左转、右转，同时带有进行转弯提示的蜂鸣器和进行运动状态指示的LED灯。
　　主要工作包括：主芯片、驱动芯片、稳压芯片、蜂鸣器以及其它元器件的选型；原理图PCB的绘制；元器件检测和焊接；手机APP的编写；蓝牙通信调试；编码器测速算法编写； 滤波算法编写；串级PID算法编写及相应参数调试；状态指示灯和蜂鸣器等其它外设的程序调用；直立车组装和整体调试。
　　基本要求：
　　直立智能车可以保持长时间的自平衡
　　手机软件可以和智能车进行双向通信
　　直立智能车可以前进、后退、左转、右转、停车
　　状态变化时有蜂鸣器提示和LED灯提示
　　2.2 方案论证与选择
　　关于滤波算法
　　方案一： 卡尔曼滤波，可以在有大量干扰的情况下，从已知测量方差的存在噪声的数据中预测估算出系统的最优状态，利用卡尔曼滤波可以从MPU6050的原始数据中得到一组接近真值、较为准确的智能车姿态数据。
　　方案二： 经典数字滤波器，主要包括低通、高通、带通滤波器，互补滤波器属于带通滤波器的变种。计算角度时，一般通过角加速度和角速度两种方式计算得到角度，因为两种角度的得出方式不同，在融合原始数据时需要一个融合系数。在将两种方式得到的角度进行互补滤波后即可得到一个反应迅速、角度跟踪较为准确的姿态数据。
　　在进行两种方案的对比选择中，发现MPU6050芯片内部自带运动数据处理运算单元（DMP），通过DMP可以直接输出芯片的姿态角，包括俯仰角、偏航角和滚转角，而俯仰角即芯片所在平面与水平面的夹角，也就是上文提到的角度值。这样，通过使用MPU6050的DMP既可以得到一个较为准确的角度值，又可以减轻微处理器的运算负担，但为了使最后的数据更接近真值，在速度控制上仍然使用了低通滤波算法。最后采用的方案是在方案二的基础上调用了MPU6050的DMP，虽然程序上要移植大量的MPU6050的固件库，但数据更加准确。
　　关于控制算法
　　控制算法采用的是久经工业现场考验的PID算法［5］，其控制算法较为简单但控制性能比较可靠稳定、鲁棒性较强、参数整定的方案较为成熟并且无需建立数学模型，因此为了实现智能车的自主平衡，控制算法采用的是PID算法，涉及到直立PID、速度PID和转向PID［6］。
　　关于测速算法
　　方案一：位置差分法（即M法），测量规定时间内齿轮转过的角度值
　　方案二：定角测时法（即T法），测量齿轮转过固定角度所用的时间
　　M法的程序编写简单，虽然测量低速脉冲时可能会有一些误差，但是测量高速时平稳性和精度都较高；T法一般是测量两个脉冲之间的时间间隔确定被测速度，适合测量低速情况，但车轮转一圈会产生几十上百个脉冲，使用T法不太方便，采用方案一。
　　关于下位机开发工具
　　方案一：使用德国Keil公司的Keil MDK-ARM
　　方案二：使用IAR Systems的IAR Embedded Workbench
　　KEIL和IAR都是针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，主要用来编译程序。两者相比KEIL不支持层叠文件夹，而IAR不仅支持层叠，而且编译器高度优化，即编译速度要比KEIL快，但是IAR生成的工程文件用其它版本IAR打开会出现一些错误，即存在版本不兼容问题，而KEIL不存在这种问题，考虑到下位机程序以后迭代过程中会出现版本间移植的情况，并且STM32 CubeMX软件的使用者大多数使用MDK-ARM-V5，学习资料较为丰富，因此选用方案一。
　　关于库函数
　　方案一：使用标准库函数开发
　　方案二：使用hal库函数开发
　　意法半导体集团（ST）为开发者提供的开发库除了上面两种，还有LL库，但因为目前支持的芯片类型太少而舍弃。标准库较hal库出现的更早，两者互不兼容但结构和接口调用方式都类似；虽然标准库使用者更多，但HAL（Hardware Abstraction Layer）面向硬件抽象层，搭配ST公司新推的STM32 CubeMX图像化代码编辑生成软件，可以很大程度的方便开发者，实现了最大跨度的不同产品间的可移植性，并且带有一套用户友好的API函数接口。虽然初期阶段，HAL仍然存在一些小问题，但出于渴望学习新工具新技术的探索精神，智能车所有的下位机程序开发都是基于hal库函数。
　　关于上位机开发工具
　　方案一：使用Qt Company公司的Qt Creator
　　方案二：使用谷歌的Android Studio
　　Qt Creator相对于比较主流的集成开发工具Android Studio，Qt Creator显得比较小众，而且在一些复杂的操作上Qt Creator可能存在不稳定性，但是对于本次课程设计而言并没有涉及到复杂的操作，一款轻量级、易上手的软件开发工具足够实现功能，而且Qt Creator可以跨平台，即开发出的软件稍加改动即可运行在Windows、Mac OS、Android甚至Linux等平台上［7］，减轻了以后上位机移植的工作量，故选用方案一。
　　2.3　系统框图分析
　　系统框图如下图所示，本智能车电路板采用7.2V镍铬电池，通过电压转换模块中的2个元器件将7.2V转换为2种电压，分别给电路板上的其它芯片供电；主芯片和姿态检测传感器MPU6050进行I2C通信，获得当前的智能车倾角，为下一步的调整智能车角度提供数据支持；主芯片通过对编码器数据的正交解码实时检测当前小车真实速度，为控制智能车速度提供数据支持；通过下载接口向主芯片下载程序；主芯片和蓝牙模块进行双向通信，蓝牙模块和手机程序双向通信，进行数据交换，主芯片接收到手机指令后通过PWM信号控制电机转动，继而进行直立智能车的姿态调整；同时也可在进行状态控制时有相应的蜂鸣器和led灯指示，软件看门狗时刻保证程序正常运行。
　　
　　图2-1　　系统框图
　　2.4　系统总体方案设计
　　芯片选型方面
　　主芯片：因为和MPU6050通信过程中要移植其固件库，而库函数内容较多，单片机的ROM，考虑到以后可能要加的外设，单片机的引脚数，故放弃了类似51单片机的小单片机；考虑开发周期，使用ARM架构的单片机；本智能车电路板虽然用镍铬电池供电，但只是用来实验模拟，2000mAH的镍铬电池完全够用，放弃了一般用在低功耗或超低功耗的场合的MSP430；而随着智能互联终端成为国内外研究的热点后，基于STM32的应用方案也越来越成熟［8］。所以最终选用市场上较为主流的STM32单片机。
　　驱动芯片：选用的是驱动电流达43A的大电流集成芯片BTN7960，内部集成的驱动Ic具有逻辑电平输入功能，因此主芯片可以直接给驱动芯片PWM信号即可控制电机转动，不过因为是半桥驱动芯片，所以需要两片芯片控制一个电机。实测过程中，电机全速运转消耗电流不超过500mA，驱动能力完全够用，并且其控制简单，电路成熟，性能稳定［9］，所以选择BTN7960驱动芯片。
　　电源方面
　　7.2V给智能车电路板供电后，被两个稳压电路转换为两种电压，其中两颗LDO分别是将7.2V降到5V的LM2596和将5V降到3.3V的AMS117_3.3。LM2596是TI生产的可输出3A电流稳压降压芯片，输入电压可达37V，外围器件较少，其输出的5V电压给智能车电路板上的蜂鸣器、蓝牙、MPU6050和其它一些外设供电；AMS117_3.3是一种正向低压降稳压器，输出电流为1A，智能车电路板用的是3.3V固定输出版本，精度为1%，输出电压给主芯片STM32F103、74lvc245、霍尔编码器和LED灯等的其它外设。
　　下载方面
　　STM32的下载方式主要有两种，ISP下载（串口下载）、JLINK下载和STLINK下载。串口下载不可以在线仿真，会对后期的软硬件调试造成不便，故舍弃；JLINK下载方式和STLINK下载方式都支持仿真调试且支持市面上的大部分ARM内核芯片，不同的是主流的JLINK下载工具有20个引脚，而STLINK只需4个引脚，出于对智能车电路板体积不易过大和要安装调试方便的考虑，选择使用STLINK下载工具对主芯片进行程序下载和后期仿真调试。
　　通信方面
　　在早期物联网应用中，出于对嵌入式系统安全的考虑，设备之间的连接大多采用有线方式，但随着技术的发展和设备安装位置的增多，无线传输被应用的更加广泛，其中蓝牙模块化繁为简，只需一个接受模块和一个发送模块即可实现数据无线透传［10］，因此智能车通过一个蓝牙模块和手机app进行通信。
　　3 系统的硬件设计及系统流程
　　3.1　单片机控制电路
　　ARM公司推出的 Cortex-M 系列微处理器是市场上较为主流的芯片，经多方比较，本实验平台选择 STM32F103C8T6作为核心芯片，该芯片是新一代 Cortex-M3内核的微处理器，具有 72 MHz 主频、20K字节SRAM、128K字节闪存，提供两个12位adc（16通道），三个通用16位定时器加上一个PWM定时器，多达两个I2Cs和SPIs，三个usart［11］，一个USB，一个CAN， 2个看门狗定时器， CRC计算单元，7通道DMA控制器。而且有官方提供的专门的开发库，操作调试更加方便简单［12］ 。外围电路模块部分围绕主芯片设计，主要组成及功能如下：
　　晶振电路：智能车电路板采用的是高速晶振电路，晶振起振为单片机提供时钟信号流。
　　复位电路：采用自动复位电路，上电后单片机自动复位，复位之后单片机程序重新运行。
　　启动方式设置电路：通过配置STM32的BOOT0和BOOT1引脚设置单片机的启动模式，即从哪个区域启动单片机，本实验板主芯片从主闪存存储器区域启动。
　　具体电路参见下图
　　
　　图3-1　　单片机控制电路
　　3.2　电源模块电路
　　
　　图3-2　　电源模块电路
　　3.3　电机驱动模块电路
　　因为主芯片引脚驱动电流太小，且直接控制驱动芯片容易被反相电流损坏引脚，所以在主芯片和驱动芯片之间加了一个三态输出的八路总线收发器74LVC245，进行驱动隔离，如下图。
　　
　　图3-3　　74LVC245电路
　　主芯片输出的PWM信号在经过隔离芯片后，到达BTN7960的逻辑信号输入引脚，进行驱动芯片输出电压的调整，通过给两个驱动芯片发送不同的PWM信号，保证电机之间出现规定的电压差，即可控制电机进行不同程度的正反转，如下图所示为驱动智能车一个电机的电路图。为了防止芯片损坏或其它异常情况导致电路输出一个特别大的电压，进而烧毁电机，在电机两端加了一个压敏电阻，当电机间电压超过12V时，压敏电阻吸收多余的电流，进行电压钳位保证电机不被烧坏。
　　
　　图3-4　　电机驱动电路
　　3.4　其它外设
　　蜂鸣器：使用的5V有源蜂鸣器，通电就响，控制方便。如图，蜂鸣器正端接5V，负极接一个NPN三极管，三极管基极通过一个电阻接到主芯片引脚上，当引脚置为高电平时，三极管导通，蜂鸣器工作，反之，蜂鸣器不工作。
　　
　　图3-5　　 蜂鸣器电路
　　MPU6050模块接口：MPU6050没有单独做电路，直接用的是GY-521三轴加速度电子陀螺仪，不过该模块并未添加任何多余的电路，单片机和其通信得到的就是MPU6050的原始数据。单片机和MPU6050通过I2C方式进行通信，如下图所示，四根接口线分别为电源、地、数据线和时钟线。
　　
　　图3-6　　MPU6050接口
　　LED指示灯：如下图所示，为智能车电路板上的前后左右四个方向上的指示灯，分布在电路板四个角上，1k电阻起限流作用，如果LED灯不太亮，可以替换为小阻值电阻。
　　
　　图3-7　　LED指示灯电路
　　下载接口：如图所示，下载接口的四根线分别是给主芯片供电的电源和地，和单片机进行通信的SWCLK和SWDIO。
　　
　　图3-8　　下载电路
　　测速接口：电机测速采用的是霍尔编码器，可以将角位移转换为一串数字脉冲输出。当齿轮转过一圈编码器A相会输出固定的脉冲数，编码器B相输出转向，编码器AB相接到到单片机引脚上，单片机对信号进行捕获然后正交解码，通过M法，即计算固定时间内接收到的脉冲数可以换算出速度。如下图所示，四根接口线分别为编码器供电电源、地、编码器A相和B相。
　　
　　图3-9　　测速接口
　　蓝牙接口：蓝牙模块选用的是主从一体的HC05蓝牙串口模块，蓝牙参数、单片机串口参数和手机程序蓝牙接收参数都是9600bits/s、停止位1位、无校验位，单片机通过串口2和蓝牙模块进行通信，蓝牙将单片机指令以TTL电平发送到手机上，数据反相传输同样类似。如下图，蓝牙模块采用5V供电，模块RX引脚接TX2，TX引脚接RX2。
　　
　　图3-10　　蓝牙接口
　　避障接口：当光电传感器模块遇到障碍物时会输出一个高电平，将其输出引脚接到下图接口上，单片机检测到高电平，进行避障处理。
　　
　　图3-11　　避障接口
　　舵机控制接口：采用的9g舵机SG90属于模拟舵机，5V供电后，有PWM信号即可控制舵机转向。
　　
　　图3-12　　舵机控制接口
　　智能车电路板通过添加合适的电阻、电容、电感、二极管、保险丝等元器件，进行滤波、去耦、防大电流等操作，同时消除一些小概率干扰［13］ 。同时在设计电路板过程中除了进行抗干扰方面的处理，在焊接元器件过程中也对焊接位置、焊接温度和焊接材料进行了严格把控［14］，在根源上杜绝了电路板可能出现的安全隐患。
　　4 系统的软件设计及系统流程
　　4.1　下位机程序
　　下位机使用的编译开发工具是Keil Software公司的Keil μVision5 IDE；开发语言是C语言；搭配的开发工具是可以和Keil μVision5 IDE关联到一起的图形化配置工具STM32CubeMX；使用的库函数是HAL库函数；程序从主闪存存储器区域启动；下载工具是STLINK。
　　程序中对STM32进行的主要操作：和MPU6050进行I2C通信获知当前姿态；通过PWM控制电机转动；检测当前电机转速；控制蜂鸣器和LED等的GPIO；软件看门狗；和蓝牙双向通信。
　　4.1.1　下位机程序流程图
　　程序首先系统初始化，系统初始化包括时钟初始化、GPIO初始化、I2C初始化、定时器初始化、正交解码初始化、串口初始化、MPU6050及其DMP初始化、看门狗初始化和PID参数初始化，以上程序在while（1）之前，开机后只顺序执行一次，在下面流程图中用系统初始化统一代称。
　　所有的控制都在一个外部中断程序里面进行处理，此外部中断由MPU6050触发。因为设置的DMP中数据每隔10ms更新一次，所以配置MPU6050模块的中断输出引脚每隔5ms进行一次电平转换，当单片机捕获到该引脚的下降沿时进行数据处理，保证数据的准确性和处理的及时性。
　　中断内部的处理步骤参见下图中的读取倾角到驱动电机，蓝牙接收后的相应处理包括前进、后退、左转、右转、蜂鸣器提示和LED指示等。
　　
　　图4-1　　下位机程序流程图
　　4.1.2　算法介绍
　　低通滤波器算法：Encoder_Least =（speed_left+speed_right）-0;
　　Encoder *= 0.8;
　　Encoder += Encoder_Least*0.2;
　　上式中Encoder_Least是最新速度偏差； 第2、3个程序可以理解为Y（n）=αX（n）+（1-α）Y（n-1），其中X（n）等同于Encoder_Least，代表本次采样值；Y（n-1）等同于Encoder，代表上次滤波输出值；α是滤波系数，在上式中是0.2。
　　一阶互补滤波算法：g_fAngle = 0.02 * Angle_ax + （0.98） * （g_fAngle + GY * dt）;
　　上式中左边的g_fAngle为实际得到的角度；Angle_ax为角加速度换算后的角度值，因为角加速度受车体震荡等因素会产生高频噪声，所以对其进行低通滤波，滤除高频信号，因此融合系数较小；右边的g_fAngle可以理解为上一次的角度；GY是角速度，dt是时间，GY *计算dt时间段内通过的角度，通过对角度的不断积分得到一个较为准确的角度，可信度和融合系数较大，有点类似高通滤波。
　　PID算法：balance=CarAngle.Kp*Bias+CarAngle.Kd*Gyro；
　　Velocity=Encoder*CarSpeed.Kp+Encoder_Integral*CarSpeed.Ki;
　　Turn = -Turn_Target * Kp - gyro * Kd;
　　上面第1个程序是直立PD算法，即角度环控制算法，属于位置PD算法［15］。通过此算法可以实现智能车短时间的直立平衡状态，其中Bias是小车偏离水平面的角度，数值为0时即与地面平行；Gyro是角速度值，通过调节Kd可以减缓小车震荡；具体调节步骤如图4-2，当小车向前倾倒时，车轮跟随小车前进的方向，使其有一个向后的力，反之亦然，调参数时的最好现象是小车对角度变化反应敏感且没有震荡。
　　
　　图4-2　　直立小车运动模型
　　第2个程序是速度PI控制，Encoder是经过低通滤波输出的当前速度值，因为速度控制和直立控制输出值是要加到一起的，低通滤波可以减缓速度差值对直立控制的干扰；Encoder_Integral是对速度的积分，即位移，积分控制的是速度的静差，对Encoder_Integra的限幅就是对速度的限幅；直立环和速度环一起调试，即可实现小车的长时间直立［16］，直立环是负反馈，速度环是正反馈，即小车因为直立环原因向一个方向加速时，速度环的作用是产生一个同方向更快的速度。
　　第3个程序是转向PD算法，Turn_Target是转向速度值，数值较大时转向速度块，反之慢，数值大小和转向前小车的速度有关，即小车的旋转速度可以跟随实时速度，增加小车的适应性；gyro是角速度值，gyro * Kd可以减小小车转向时的震荡；据体控制方法就是将小车的左轮PWM输出值减去转向PD输出值，小车的右轮PWM输出值加上转向PD输出值，利用小车车轮的差速进行转向。
　　4.2　上位机程序
　　上位机开发工具使用的是由Qt Company在1991年开发的跨平台的图形界面应用程序开发框架- Qt Creator；软件功能是进行开关蓝牙、蓝牙状态检测、搜寻和配对连接等，最主要的是通过蓝牙模块和单片机进行无线数据透传。
　　4.2.1　上位机程序流程图
　　系统初始化包括创建动画、设置动画、动画自适应、启动动画；设置定时器；设置滚屏显示的字符、颜色、显示时间、滚屏方向；设置蓝牙UUID码、分配socket内存、限定套接字协议；设置显示背景的大小、位置、透明度；编写按键信号对应的槽函数和其它回调函数。
　　初始化之后的操作如图所示。
　　
　　图4-3　　上位机程序流程图
　　4.2.2 上位机功能介绍
　　本上位机使用应用程序开发框架Qt Creator开发，在用其自带的界面设计器进行页面设计之后，在代码管理编辑页面进行C语言的程序编写、逻辑实现。在调试过程中进行了图形化调试，即程序和页面相关联之后进行全方位调试。在debug模式对程序进行实时观察跟踪，定位到问题并对其解决或者修改相应配置后，在最后实验阶段进行实际应用，效果良好。
　　使用Qt Creator进行开发，首先进行编译环境的搭建，主要步骤为：（1） 选择合适的编译器；2） 配置环境变量；（3） 选择Qt文件系统的编译器；（4） 选择库文件，因为本课程设计的上位机是在Windows系统下开发Android软件，所以需要交叉编译器［17］。主要功能如下：
　　扫描刷新附近的蓝牙设备
　　将蓝牙设备显示在手机上
　　进行控制时左上角显示有按键按下指示
　　4.2.3 上位机使用说明
　　首次打开软件时，按照手机提示打开蓝牙，之后app会自动搜索周围的蓝牙设备，并显示在屏幕上，如果有新设备，可以点击页面下方的刷新按键，如果已经配对过的设备手机会高亮显示，双击设备即可进行连接，如图4-4。这时打开蓝牙按键会显示“正在连接…”，连接失败会显示连接失败，连接成功会自动进入440ms的小车启动动画，动画上面滚动显示“启动中…”，如图4-5。
　　动画播放完毕，进入控制页面，如图4-6，按下某个按键会发送相应的指令，例如按下“上”，发送0x31、0x32，按下“下”，发送0x33、0x34，按下同时左上角变成小红点，松开手恢复原样。可以发送的指令有上、下、左、右、停车和蜂鸣器，按下右上角的蓝牙图标，APP页面跳转到蓝牙连接页面。
　　上位机每进行一次指令更新，蜂鸣器会响一下，前进时前面两个led灯点亮，后退时后面两个led灯点亮，左转时左面两个灯点亮，右转时右面两个灯点亮，响一下蜂鸣器，点击一下停止按键，小车停止所有指示灯点亮，并且当前指示灯状态全部反转，蜂鸣器开始长响，再次点击一次，蜂鸣器停止发出发出声音，当前所有指示灯状态再次反转。
　　5 开发中遇到的问题和成果图
　　5.1　硬件上的问题和解决方法
　　由于驱动芯片是从其它电路板上吹下来的，导致第一次温度没控制好把芯片吹坏
　　手工焊接STM32F103C8T6时，引脚间间距只有0.5mm，把引脚焊短接；为了避免出现引脚间再因滚进锡球而短路，将主芯片用透明胶带粘起来
　　固定孔的直径设置成2.54mm，固定用的塑料螺柱买的是3mm的，只能用胶棒固定
　　指示灯的亮度偏暗，因为选用的限流电阻过大
　　PID调参时，长时间的高频大幅抖动将芯片烧坏
　　蜂鸣器不太响，是因为上面的贴纸没有揭下来
　　先给主芯片供电，再给驱动芯片供电，否则供电主芯片初始化的时候容易出现轮子乱转的情况
　　下图是电路板PCB图，在Altium Designer软件中先画出原理图，再把原理图转换为PCB，通过把PCB中杂乱的元器件布局并进行电气连接后即为下图。
　　
　　图5-1　　电路板PCB图
　　5.2　下位机开发中的问题和解决方法
　　蓝牙不能进行数据收发：蓝牙模块的默认波特率是115200bits/s，和单片机不一样，要用AT指令将其设置成一样
　　有时候接收不到MPU6050的外部中断：外部中断被其它中断打断了，将对应的外部中断的优先级放到第一位
　　小车完全倒地时还会瞎转：判断MPU6050倾角是否超出正负25度，超出后就不进行控制
　　PID调节有直立环、速度环、转向环，调试时要直立环和速度环一起调，否则不能保持直立
　　I2C地址的通信地址和MPU6050的某个引脚是否接地有关，默认悬空是0X68
　　速度发生迟滞：速度要限幅，否则当变量超调的时候容易出现速度降不下来或者升不上去的情况
　　小车总是向一个方向跑偏：程序上设置的机械中值和MPU6050的实际安装位置有差别。
　　在STM32cubeMX中uart2的tx引脚模式默认只有PP（复用推挽）一种，要改成OD（开漏）模式，可以直接在源程序里面改
　　STM32cubemx HAL的硬件I2C有一个BUG，就是要把__HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE（）这句时钟初始化代码放到GPIO初始化之后。
　　修改STM32cubemxUSER生成的程序，内容要写在 “CODE BEGIN x”和“CODE END x”之间，否则下次再次生成后自己的程序会消失
　　下图为PCB电路图经过工厂加工并焊接上元器件的成品图，通电并将相应的线路连接正确后即可使用。
　　5.3　上位机开发中的问题和解决方法
　　无法添加背景图：listWidget添加背景图，必须先设置成透明
　　手机扫描不到蓝牙：Android 6.0以上设备扫描Ble设备前要开启位置权限
　　无法显示不规则图标：使用专门的图标按钮
　　兼容性不太好，初次打开软件时会出现android detected problems with API compatibility Android ，原因是手机系统升级到Android 9.0以后谷歌后台限制了开发者调用非官方公开API，这个问题因为手机系统更新导致出现的比较晚，尚未解决，但是点击确定后不影响使用。