基于超声波的自动避障双轮平衡车设计及原理样机开发

2018-04-24孙亚飞

现代制造技术与装备 2018年3期

孙亚飞

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，深圳 518172）

平衡车是近年来国内外学者研究、开发的热点技术，具有结构简单、运动灵活以及适合在狭小空间里工作等特点，应用市场广泛。

各类平衡车在运行过程中容易碰到物体，产生危险。如果能设计一定的障碍物避让功能，便能提高其运行的安全性，减少危险。本文尝试采用超声波测距技术，利用STM32F103微处理器及MPU6050姿态传感器，设计并开发了一款自动避障双轮平衡车原理样车，使其具有自动避障功能，提高其运行过程的安全性。

1 系统总体设计

该自动避障双轮平衡车主要由机械结构和控制系统两大部分构成，具体如图1所示。

机械结构部分是整个平衡车的承载平台，主要包括车身、车轮、底板和托盘等部分；控制系统部分是整个平衡车的控制中心，主要包括硬件电路、控制程序和显示面板等部分。其总体结构设计如图2所示。

本自动避障双轮平衡车的机械结构设计部分主要考虑到要减小车身重心的高度，以便有效提高车体稳定性，减少控制系统控制过程的复杂程度，提高整车运行过程的平稳性。

本自动避障双轮平衡车的控制系统设计部分主要利用了超声波测距技术，结合STM32系列微处理器，设计并开发了具有良好运动控制、信息显示的控制系统的硬件电路和控制软件，能根据障碍物探测情况自动避让。

图1 自动避障双轮平衡车主要构成

图2 自动避障双轮平衡车总体结构设计图

2 控制系统设计

基于超声波测距技术的自动避障平衡车控制系统主要由自动平衡控制系统和自动避障控制系统两部分构成。

2.1 自动平衡控制系统

双轮平衡车自动平衡控制系统方案设计如图3所示。姿态传感器定时测量平衡车的原始姿态信息，经过姿态信息处理模块的处理后，将姿态数据发送给主控模块；主控模块通过对此姿态信息的分析和处理，获得电机驱动信号，并发送给电机驱动模块；电机驱动模块产生电机驱动电流，驱动左右电机转动，用以改变当前的平衡车状态。之后，姿态传感器继续测量平衡车的姿态信息，并据此驱动电机转动，控制平衡车的移动，实现对平衡车的PID闭环平衡控制。

2.2 自动避障控制系统

双轮平衡车自动避障控制系统方案设计如图4所示。超声波测距传感器用于测量障碍物与其之间的距离，并将得到的距离数据实时发送给主控模块；主控模块接收到距离数据后，对其进行分析和处理，确定相应的自动避障模式，并据此产生相应的电机控制驱动信号，发送给电机驱动模块，产生相应的电机驱动电流，驱动电机运动，产生各种动作。

图3 双轮平衡车自动平衡控制方案

图4 双轮平衡车自动避障控制方案

3 控制系统开发

本项目控制系统的开发主要包括硬件电路开发和应用软件开发两部分。

3.1 硬件电路开发

根据上述控制方案，所设计的基于超声波测距技术的自动平衡系统硬件电路如图5所示，主要包括姿态测量模块、主控模块和电机驱动模块等。所设计的基于超声波测距技术的自动避障控制系统的硬件电路部分如图6所示，主要包括超声波测距模块、主控模块和电机驱动模块等。所设计和开发的硬件电路原理图和实物图如图7、图8所示。