便攜式智能平衡車的開發(fā)與設(shè)計(jì)

王云鵬 吳桐 郭夢慧 梁家豪 郝亮

摘 要：目前，人類的出行越來越多的依靠代步機(jī)器，在代步工具中平衡車又是人們心中的最佳選擇。但代步工具的安全問題是人們關(guān)注的重點(diǎn)。針對于一種安全系數(shù)比較高的出行代步工具是目前產(chǎn)品生產(chǎn)的重中之重。因此，針對平衡車使用的安全問題進(jìn)行建模研究，進(jìn)一步提高平衡車安全性能。應(yīng)用超聲波探測裝置對路面及其前方路況進(jìn)行采集，使用STM32微控制器為控制核心，搭載系統(tǒng)的各部分硬件及相關(guān)的控制電路對所采集的信息進(jìn)行解析，處理。對危險(xiǎn)狀況進(jìn)行避讓。本系統(tǒng)帶有GPS定位系統(tǒng)和藍(lán)牙連接組件，針對于平衡車使用者出現(xiàn)以外情況可自動進(jìn)行呼救。本設(shè)計(jì)具有研發(fā)成本低，實(shí)用性強(qiáng)，將會在未來人們的出行中起重要作用。并將得到更多的社會實(shí)際應(yīng)用普及。

關(guān)鍵字：平衡車;STM32微控制器;安全出行;超聲波探測裝置;GPS定位系統(tǒng)

中圖分類號：TN924 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-47-03

Abstract： At present， more and more human travel depends on the walking machine， and balancing the car in the walking tool is the best choice in people's mind. But the safety of the step tool is the focus of people's attention. At present， the most important part of product production is a kind of travel substitute tool with high safety factor. Therefore， the safety problem of the balanced vehicle is modeled to further improve the safety performance of the balanced vehicle. The ultrasonic detection device is used to collect the road conditions and the road conditions in front of the road. The STM32 microcontroller is used as the control core. The hardware of each part of the system and the related control circuit are carried to analyze and process the collected information. Avoid dangerous situations. The system is equipped with GPS positioning system and Bluetooth connection components， which can automatically call for help in case of other situations. This design has the advantages of low research and development cost， strong practicability， and will play an important role in people's travel in the future. And will get more social practical application popularization.

Keywords： Balance car; STM32 microcontroller; Safe travel; Ultrasonic detection device; GPS positioning system

CLC NO.： TN924 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-47-03

前言

隨著人工智能的快速發(fā)展、智能家居、智能無人車等的興起，給社會帶來了前所未有的快捷與便利。人類出行過多依靠于代步機(jī)器。其中平衡車又是人們出行的心儀之物。

本設(shè)計(jì)采用微控制器技術(shù)，通過搭配各種硬件模塊，來實(shí)現(xiàn)平衡車的運(yùn)行。以及安全性能的提高，從而保證使用者的人身安全，對用戶負(fù)責(zé)。

目前市面上的平衡車只能提供代步功能，而不能再有緊急路況時(shí)提供躲避的功能，也不能在意外發(fā)生時(shí)第一時(shí)間提供呼救。

1 平衡車總體設(shè)計(jì)

將超聲波探測裝置布置在平衡車的前端，來進(jìn)行前方路況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證行駛的安全性。以GPS定位模塊為中心，以藍(lán)牙模塊[1]連接手機(jī)為輔助，當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，GPS定位模塊定下自身所在位置以藍(lán)牙模塊傳給手機(jī)，手機(jī)以彩信的形式發(fā)送給交警進(jìn)行求救。為了提高工作效率，將主程序分為模塊化進(jìn)行編寫。

本產(chǎn)品選用STM32微控制器作為中心控制器，由多種模塊進(jìn)行信號采集，重心控制器進(jìn)行處理。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32微控制器

對于本平衡車來說，微控制器最小系統(tǒng)是整個(gè)平衡車運(yùn)行和工作的基礎(chǔ)，因此這里設(shè)計(jì)了基于STM32微控制器的最小系統(tǒng)。設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示：

2.2 超聲波探測裝置

本設(shè)計(jì)采用IO觸發(fā)測距，觸發(fā)信號輸入端（Trig）輸入一個(gè)10微秒以上的高電平信號，超聲發(fā)送口收到信號自動發(fā)送8個(gè)40Hz方波，同時(shí)啟動定時(shí)器，待傳感器接收到回波則停止計(jì)時(shí)并輸出回響信號，回響信號脈沖寬度與所測距離正比。根據(jù)時(shí)間間隔可以計(jì)算距離，公式：距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。

2.3 GPS定位系統(tǒng)

對于用戶使用安全問題的解決，一是依靠超聲波檢測裝置的自動探測路面狀況來進(jìn)行保護(hù);二是在危險(xiǎn)已經(jīng)發(fā)生時(shí)GPS定位系統(tǒng)的自動定位功能進(jìn)行求救。本設(shè)計(jì)中的GPS探測裝置采用的是高靈敏度GPS[4]，此裝置會在意外發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行自我求救。

2.4 藍(lán)牙模塊

采用一款高性能的藍(lán)牙串口模塊，此模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式。該藍(lán)牙的工作原理如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用嵌入式C語言[2]編寫的，由主程序來實(shí)現(xiàn)針對每一個(gè)的模塊不同指令的發(fā)號。主程序的流程圖如圖4所示。該程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思路[5]來編寫各個(gè)子程序。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

使用CATIA構(gòu)建整體模型，將平衡車運(yùn)動形式輸入到CATIA中進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬。同時(shí)模擬各種路面的情況以及各種可能發(fā)生的以外情況。以硬件軟件共同結(jié)合進(jìn)行調(diào)試，讓平衡車實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

5 結(jié)語

對于各個(gè)用戶使用平衡車的情形的不同，我們通過對各個(gè)用戶使用平衡車的習(xí)慣，來搭建模擬路況，以更好的進(jìn)行程序調(diào)試。本平衡車十一微控制器為控制核心，多種模塊的聯(lián)合工作，以保證使用者的人身安全。本平衡車滿足人們心中所需，具有良好的市場價(jià)值，走在未來平衡車發(fā)展的前沿。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚康喜.低功耗藍(lán)牙智能硬件開發(fā)實(shí)戰(zhàn).人民郵電出版社，2018： 246～272.

[2] Prata[美].C++ Primer Plus（第6版）（中文版）.人民郵電出版社，2012：第7章.

[3] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社，2017：129～152.

[4] 任勝兵，邢琳.軟件工程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004： 132～143.