基于超聲波的自動避障雙輪平衡車設(shè)計及原理樣機開發(fā)

孫亞飛

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，深圳 518172）

平衡車是近年來國內(nèi)外學者研究、開發(fā)的熱點技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活以及適合在狹小空間里工作等特點，應(yīng)用市場廣泛。

各類平衡車在運行過程中容易碰到物體，產(chǎn)生危險。如果能設(shè)計一定的障礙物避讓功能，便能提高其運行的安全性，減少危險。本文嘗試采用超聲波測距技術(shù)，利用STM32F103微處理器及MPU6050姿態(tài)傳感器，設(shè)計并開發(fā)了一款自動避障雙輪平衡車原理樣車，使其具有自動避障功能，提高其運行過程的安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該自動避障雙輪平衡車主要由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，具體如圖1所示。

機械結(jié)構(gòu)部分是整個平衡車的承載平臺，主要包括車身、車輪、底板和托盤等部分；控制系統(tǒng)部分是整個平衡車的控制中心，主要包括硬件電路、控制程序和顯示面板等部分。其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

本自動避障雙輪平衡車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分主要考慮到要減小車身重心的高度，以便有效提高車體穩(wěn)定性，減少控制系統(tǒng)控制過程的復(fù)雜程度，提高整車運行過程的平穩(wěn)性。

本自動避障雙輪平衡車的控制系統(tǒng)設(shè)計部分主要利用了超聲波測距技術(shù)，結(jié)合STM32系列微處理器，設(shè)計并開發(fā)了具有良好運動控制、信息顯示的控制系統(tǒng)的硬件電路和控制軟件，能根據(jù)障礙物探測情況自動避讓。

圖1 自動避障雙輪平衡車主要構(gòu)成

圖2 自動避障雙輪平衡車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

基于超聲波測距技術(shù)的自動避障平衡車控制系統(tǒng)主要由自動平衡控制系統(tǒng)和自動避障控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

2.1 自動平衡控制系統(tǒng)

雙輪平衡車自動平衡控制系統(tǒng)方案設(shè)計如圖3所示。姿態(tài)傳感器定時測量平衡車的原始姿態(tài)信息，經(jīng)過姿態(tài)信息處理模塊的處理后，將姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊；主控模塊通過對此姿態(tài)信息的分析和處理，獲得電機驅(qū)動信號，并發(fā)送給電機驅(qū)動模塊；電機驅(qū)動模塊產(chǎn)生電機驅(qū)動電流，驅(qū)動左右電機轉(zhuǎn)動，用以改變當前的平衡車狀態(tài)。之后，姿態(tài)傳感器繼續(xù)測量平衡車的姿態(tài)信息，并據(jù)此驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，控制平衡車的移動，實現(xiàn)對平衡車的PID閉環(huán)平衡控制。

2.2 自動避障控制系統(tǒng)

雙輪平衡車自動避障控制系統(tǒng)方案設(shè)計如圖4所示。超聲波測距傳感器用于測量障礙物與其之間的距離，并將得到的距離數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主控模塊；主控模塊接收到距離數(shù)據(jù)后，對其進行分析和處理，確定相應(yīng)的自動避障模式，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)的電機控制驅(qū)動信號，發(fā)送給電機驅(qū)動模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的電機驅(qū)動電流，驅(qū)動電機運動，產(chǎn)生各種動作。

圖3 雙輪平衡車自動平衡控制方案

圖4 雙輪平衡車自動避障控制方案

3 控制系統(tǒng)開發(fā)

本項目控制系統(tǒng)的開發(fā)主要包括硬件電路開發(fā)和應(yīng)用軟件開發(fā)兩部分。

3.1 硬件電路開發(fā)

根據(jù)上述控制方案，所設(shè)計的基于超聲波測距技術(shù)的自動平衡系統(tǒng)硬件電路如圖5所示，主要包括姿態(tài)測量模塊、主控模塊和電機驅(qū)動模塊等。所設(shè)計的基于超聲波測距技術(shù)的自動避障控制系統(tǒng)的硬件電路部分如圖6所示，主要包括超聲波測距模塊、主控模塊和電機驅(qū)動模塊等。所設(shè)計和開發(fā)的硬件電路原理圖和實物圖如圖7、圖8所示。

圖5 基于超聲波測距技術(shù)的自動平衡系統(tǒng)硬件電路框圖

圖6 基于超聲波測距技術(shù)的自動避障系統(tǒng)硬件電路框圖

3.2 應(yīng)用軟件開發(fā)

所設(shè)計的應(yīng)用軟件主流程圖如圖9所示，系統(tǒng)運行時，通過定時中斷進行平衡控制。

所開發(fā)的應(yīng)用程序軟件模塊如圖10所示，主要由配置模塊和控制模塊兩大部分構(gòu)成。配置模塊是在程序運行前，微處理器及相關(guān)模塊所需的預(yù)先初始化設(shè)置；控制模塊則在程序運行過程中，通過定時中斷或循環(huán)查詢等方式對雙輪平衡車的自動平衡及自動避障等進行實時控制。

圖7 硬件電路原理圖

4 實驗測試驗證

所開發(fā)的自動避障雙輪平衡車原理樣車上，對其自動平衡及自動避障功能進行測試，具體如圖11所示。

測試結(jié)果表明：所開發(fā)的基于超聲波測距技術(shù)的自動避障雙輪平衡車原理樣車能有效進行平衡控制，并能實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的功能；該樣車在移動過程中，如果前方遇有障礙物則能及時檢測到該障礙物，并能根據(jù)距離該障礙物的遠近進行減速、停止和后退等各種避障模式處理和控制。

圖8 硬件電路實物圖

圖9 主程序流程

圖10 應(yīng)用程序軟件模塊

通過上述測試，所開發(fā)的基于超聲波測距技術(shù)的自動避障平衡車原理樣車基本具備了預(yù)期的自動平衡控制和自動避障功能，其可用于相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)中的控制系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文利用超聲波測距技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了一款基于STM32F103系列微處理器的自動避障雙輪平衡車原理樣車及其外形設(shè)計。測試結(jié)果表明，所開發(fā)的自動避障雙輪平衡車原理樣車能有效實現(xiàn)雙輪平衡車的穩(wěn)定運行和障礙物避讓功能，可用于相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的實驗平臺。

圖11 自動避障雙輪平衡車原理樣車

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