本發(fā)明涉及一種基于pid控制器的自平衡車避障系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著移動(dòng)機(jī)器人研究不斷深入、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，所面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜。機(jī)器人經(jīng)常會(huì)遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉(zhuǎn)角的工作場合，如何在這樣比較復(fù)雜的環(huán)境中靈活快捷的執(zhí)行任務(wù)，成為人們頗為關(guān)心的一個(gè)問題。雙輪自平衡機(jī)器人概念就是在這樣的背景下提出來的。兩輪自平衡小車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，是一種多變量、非線性、強(qiáng)禍合的系統(tǒng),是檢驗(yàn)各種控制方法的典型裝置。同時(shí)由于它具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、零轉(zhuǎn)彎半徑等特點(diǎn)，將會(huì)在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因?yàn)樗扔欣碚撗芯恳饬x又有實(shí)用價(jià)值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注。

兩輪自平衡小車的研究是在移動(dòng)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)隨著很多技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，機(jī)器人的發(fā)展水平可以說甚至代表著一個(gè)國家的綜合實(shí)力。兩輪自平衡小車是移動(dòng)機(jī)器人的一種。它是自動(dòng)控制理論與技術(shù)和動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合的一個(gè)研宄性課題，可以感知?jiǎng)討B(tài)決策的功能。兩輪自平衡小車車身中心位于車輪軸的上方，能保持平衡且可行走。其結(jié)構(gòu)特殊能適應(yīng)地形的變化，運(yùn)動(dòng)靈活，能在一些復(fù)雜環(huán)境里工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于將主控制電路與多種傳感器電路集于一體，對(duì)現(xiàn)有市面上的兩輪平衡車的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入了避障模塊電路，以實(shí)現(xiàn)避障功能。

上述目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于pid控制器的自平衡車避障系統(tǒng)，包括主控制器、超聲波傳感器電路、姿態(tài)傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路和電源電路；其中：

所述主控制器為基于pid控制的stm32核心處理器；

電源電路包括航模電池和電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)換電路與主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接；

用于測量前方障礙物距離的超聲波傳感器電路與主控制器連接；

集成有加速度計(jì)、三軸陀螺儀的姿態(tài)傳感器電路與主控制器連接；

所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括電機(jī)、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，編碼器分別與電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和主控制器連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器連接；

所述顯示電路與主控制器連接。

優(yōu)選地，所述航模電池為12v。

優(yōu)選地，所述姿態(tài)傳感器電路采用mpu6050姿態(tài)傳感器電路。

優(yōu)選地，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器tb6612。

優(yōu)選地，所述顯示電路采用oled顯示電路。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的自平衡車避障系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上加入了避障模塊電路，采用電路模塊化設(shè)計(jì)，既能完成多種傳感器組合工作還可實(shí)現(xiàn)避障功能；本發(fā)明系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，靈活性強(qiáng)，可大大減少因缺少避障功能而引起的交通事故。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電路整體框圖；

圖2為本發(fā)明工作流程圖；

圖3為電源電壓轉(zhuǎn)換電路圖；

圖4為姿態(tài)傳感器電路圖；

圖5為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖6為串口下載電路圖；

圖7為藍(lán)牙串口電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例具體介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，本發(fā)明提供的自平衡車避障系統(tǒng)包括主控制器、超聲波傳感器電路、mpu6050姿態(tài)傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、oled顯示電路和電源電路。圖2為工作流程圖。

主控制器為基于pid控制的stm32核心處理器，提供大量串口并存取數(shù)據(jù)。

電源電路包括12v航模電池和電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)換電路與主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。電源電路由電壓轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路構(gòu)成，由12v航模電池供電，分別與主控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，并提供一定的工作電壓，為主控制器和各個(gè)模塊供電，保證了電路各個(gè)器件的正常工作。圖3為電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖，電壓轉(zhuǎn)換電路采用二級(jí)降壓，通過lm2596t芯片將航模電池的12v電壓轉(zhuǎn)換成5v電壓，接著通過ams1117穩(wěn)壓芯片將5v電壓轉(zhuǎn)換成3.3v電壓，為stm32核心處理器供電。

用于測量前方障礙物距離的超聲波傳感器電路與主控制器連接。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括電機(jī)、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器tb6612，編碼器分別與電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和主控制器連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的端口與主控制器相連直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過給與之連接的主控制器的兩個(gè)端口分別以pwm信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由電機(jī)、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器tb6612構(gòu)成。編碼器tb6612的ao1和ao2端口與直流電機(jī)的正極(+)和負(fù)極(-)端口相連，tb6612的pwma、ain1、ain2三個(gè)端口分別與stm32主開發(fā)板相連，其中pwma與stm32的pwm端口相接，一般為10khz的pwm即可。12v航模電池與tb6612的vm端口相連提供穩(wěn)定電壓，vcc端口為內(nèi)部的邏輯供電，一般給3.3v或者5v。stm32通過給tb6612的pwma、ain1、ain2三個(gè)端口發(fā)送pwm信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過改變占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度?；魻柧幋a器由霍爾碼盤與霍爾元件組成，霍爾碼盤是在一定直徑的圓板上等分地布置有不同的磁極?；魻柎a盤與電機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號(hào)，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號(hào)。編碼器有ab相輸出，不僅可以測速，還可以辨別轉(zhuǎn)向。編碼器外接四根線，給其中兩條線分別接5v電源和地，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)即可通過ab相(另外兩根線)輸出方波信號(hào)，編碼器自帶了上拉電阻，無需外部上拉，直接與stm32相連，從而讀出速度數(shù)據(jù)。

mpu6050姿態(tài)傳感器電路與主控制器連接。mpu6050姿態(tài)傳感器電路集成了加速度計(jì)、三軸陀螺儀，用來測量自平衡車的傾角和角速度，將編碼器與電機(jī)相連，再與主控制器的io口相連，由電池供電，來測量速度、辨別方向，從而實(shí)現(xiàn)自平衡車平衡。圖4為姿態(tài)傳感器電路圖。姿態(tài)傳感器電路采用mpu6050芯片組成，集線加速度計(jì)和三軸陀螺儀，通過iic接口通信(pb8，pb9)，可輸出三個(gè)方向上的加速度信號(hào)，當(dāng)平衡車有一定的傾角之后，重力加速度會(huì)在x軸或y軸有重力加速度分量，該軸傾斜的角度和重力分量的大小相關(guān)。將這些信息通過端口發(fā)送到stm32，計(jì)算出傾角度。三軸陀螺儀的作用是測量角速度。陀螺儀將輸出的角速度信息送給stm32，從而實(shí)現(xiàn)角速度的監(jiān)測。

oled顯示電路與主控制器連接。oled顯示電路顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、速度設(shè)定、角度顯示、電壓顯示、模式選擇、程序下載與監(jiān)控。

圖6為串口下載電路圖，串口下載電路采用ch340g設(shè)計(jì)，對(duì)stm32核心處理器進(jìn)行程序下載。圖7為藍(lán)牙串口電路圖，藍(lán)牙串口電路采用spp-c藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，通過stm32的串口與該模塊的串口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端無線控制平衡車。

工作原理：

本發(fā)明的電路主要包括主控制器電路、超聲波傳感器電路、姿態(tài)傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、oled顯示電路、電源電路和藍(lán)牙串口電路。其主要工作原理如下：一種基于pid控制器的自平衡車避障設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制采用pid控制，電源電路為該系統(tǒng)提供多種電壓工作；主控制器通過i2c接口與姿態(tài)傳感器連接，獲取自平衡車的傾斜角度；超聲波傳感器通過數(shù)字io口與主控制器通信，測量障礙物距離；控制器輸出pwm脈沖信號(hào)給編碼器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和方向；oled顯示電路通過spi通信實(shí)時(shí)顯示傾斜角度信息。主控制器接收姿態(tài)傳感器和超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，輸入到pid控制器，其輸出信號(hào)經(jīng)主控制器發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)自平衡車的直立行進(jìn)和避障設(shè)計(jì)。

本發(fā)明提供的自平衡車避障系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上加入了避障模塊電路，采用電路模塊化設(shè)計(jì)，既能完成多種傳感器組合工作還可實(shí)現(xiàn)避障功能；本發(fā)明系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，靈活性強(qiáng)，可大大減少因缺少避障功能而引起的交通事故。

上述實(shí)施例的作用僅在于說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，但并不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行簡單修改或者簡單替換不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍。