CN110941281A - 一种激光追踪平衡车控制*** - Google Patents

一种激光追踪平衡车控制*** Download PDF

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朱俊杰
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Abstract

本发明公开了一种激光追踪平衡车控制***，属于技术领域，所述移动终端无线连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述微控芯片导线连接，所述微控芯片通过导线与所述直流电机驱动模块、六轴运动处理模块和视觉模块导线连接，本发明能在静止时也保持平衡车处于平衡状态。

Description

一种激光追踪平衡车控制***
技术领域
本发明涉及一种控制***，特别是涉及一种激光追踪平衡车控制***，属于激光追踪平衡车技术领域。
背景技术
电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为动态稳定的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制***，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持***的平衡，是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。
而现有技术中的激光追踪平衡车皆是采用利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化此种方式会出现陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，其次用于激光追踪的摄模块并不容易处理机器视觉算法中处理复杂的输出，并且现有的平衡车只能在平衡车运动时保持平衡，由于在运动过程中，操作者对平衡车具有一定的平衡力，但是平衡车在直立时无法实现平衡，为此设计一种激光追踪平衡车控制***及其控制方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种激光追踪平衡车控制***，操作简单，能使得平衡车在静止时也处于平衡状态，且能根据激光对平衡车的移动。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种激光追踪平衡车控制***，包括蓝牙模块、直流电机驱动模块、微控芯片、风轮模块、六轴运动处理模块、视觉模块和移动终端，所述微控芯片，用于存储程序并接收所述蓝牙模块发送的控制指令，向直流电机驱动模块以及风轮模块发送控制指令，同时根据PID算法确定平衡车在运动时直流电机驱动模块调整参数确保平衡车保持平衡状态并按照运动轨迹进行移动；根据PI算法确定平衡车在停止时风轮模块调整参数确保平衡车保持平衡状态；
所述蓝牙模块，用于获取移动终端的控制指令，并将控制指令发送至微控芯片；
所述直流电机驱动模块，用于获取微控芯片的控制指令并执行控制直流电机进行正转、反转、制动、停止操作；
所述移动终端，用于接收使用者的操作并发送指令至蓝牙模块控制激光追踪平衡车；
所述六轴运动处理模块，用于检测车体姿态的空间状态并发送给微控芯片，所述视觉模块，用于实现激光追踪并获得运动轨迹并发送给单片机；
所述风轮模块，用于根据微控芯片的处理指令，
所述移动终端连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述微控芯片导线连接，所述微控芯片通过导线与所述直流电机驱动模块、六轴运动处理模块、风轮模块和视觉模块导线连接。
优选的，所述视觉模块采用OpenMV摄像头。
优选的，根据PI算法确定风轮调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：六轴处理模块获取平衡车姿态角度以及速度信息，然后对姿态角度进行微分处理得到姿态角速度，对速度信息进行积分处理得到速度值，然后根据公式
Figure 842736DEST_PATH_IMAGE001
得到风轮调整参数a，其中k、p和d为角度调节参数，
Figure 696291DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 696477DEST_PATH_IMAGE003
为速度调节参数，
Figure 817624DEST_PATH_IMAGE004
为速度信息，B为姿态角度，
Figure 510642DEST_PATH_IMAGE005
为姿态角速度；
根据确定风轮调整参数对风轮的电机瞬间转动需要的电压值进行调整，风轮的电机在瞬时加速下带动风轮加速产生离心加速度将小车往反方向上施力使得平衡车处于平衡状态。
优选的，
根据PID算法确定直流电机驱动模块调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：
51：比例参数相当于所述平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度，当逐步增大比例参数时，所述平衡车开始能够保持直立，微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；
52：调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；
53.减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，根据调节的比例参数、微分参数最终输出直流电机模块电机速度调整参数值。。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种激光追踪平衡车控制***，通过视觉模块对激光进行检测确定平衡车运动移动轨迹，然后根据移动终端与微控芯片相连实现平衡车的控制，操作简单，并且根据平衡车在静止时采用PI算法对风轮模块进行控制使得平衡车处于平衡状态，而在运动时采用PID算法对直流电机模块进行控制使得平衡处于平衡状态，从而使得平衡车处于静止状态时也能处于平衡状态，同时在静止时采用PI算法，由于直立平衡必然会影响到小车的前进，小车在直立控制的作用下，小车会前倾获取加速度，所以车轮会向后运动，这时小车的速度会被减慢，但是由于是负反馈作用，速度减慢之后，速度控制的偏差会增大，小车前倾的角度会增大，如此作用，小车便不能保持直立平衡，所以一般的单负反馈***在直立控制的影响下会起到正反馈的作用，所以不能采用一般的单负反馈***，要使用串级负反馈***，在串级负反馈***中，使用微分的效果不明显，所以这里采用的是PI算法控制，使得控制效果更好。
附图说明
图1为按照本发明的一种激光追踪平衡车控制***的一优选实施例的***图；
图2为按照本发明的一种激光追踪平衡车控制***对应控制方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种激光追踪平衡车控制***，包括蓝牙模块、直流电机驱动模块、微控芯片、风轮模块、六轴运动处理模块、视觉模块和移动终端，所述微控芯片，用于存储程序并接收所述蓝牙模块发送的控制指令，向直流电机驱动模块以及风轮模块发送控制指令，同时根据PID算法确定平衡车在运动时直流电机驱动模块调整参数确保平衡车保持平衡状态并按照运动轨迹进行移动；根据PI算法确定平衡车在停止时风轮模块调整参数确保平衡车保持平衡状态；
所述蓝牙模块，用于获取移动终端的控制指令，并将控制指令发送至微控芯片；
所述直流电机驱动模块，用于获取微控芯片的控制指令并执行控制直流电机进行正转、反转、制动、停止操作；
所述移动终端，用于接收使用者的操作并发送指令至蓝牙模块控制激光追踪平衡车；
所述六轴运动处理模块，用于检测车体姿态的空间状态并发送给微控芯片，所述视觉模块，用于实现激光追踪并获得运动轨迹并发送给单片机；
所述风轮模块，用于根据微控芯片的处理指令，
所述移动终端连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述微控芯片导线连接，所述微控芯片通过导线与所述直流电机驱动模块、六轴运动处理模块、风轮模块和视觉模块导线连接。
本发明提供的一种激光追踪平衡车控制***的工作原理：通过视觉模块对激光进行检测确定平衡车运动移动轨迹，然后根据移动终端与微控芯片相连实现平衡车的控制，操作简单，并且根据平衡车在静止时采用PI算法对风轮模块进行控制使得平衡车处于平衡状态，而在运动时采用PID算法对直流电机模块进行控制使得平衡处于平衡状态，从而使得平衡车处于静止状态时也能处于平衡状态，同时在静止时采用PI算法，由于直立平衡必然会影响到小车的前进，小车在直立控制的作用下，小车会前倾获取加速度，所以车轮会向后运动，这时小车的速度会被减慢，但是由于是负反馈作用，速度减慢之后，速度控制的偏差会增大，小车前倾的角度会增大，如此作用，小车便不能保持直立平衡，所以一般的单负反馈***在直立控制的影响下会起到正反馈的作用，所以不能采用一般的单负反馈***，要使用串级负反馈***，在串级负反馈***中，使用微分的效果不明显，所以这里采用的是PI算法控制，使得控制效果更好。
在本实施例中，所述六轴运动处理模块采用型号为MPU-6000(6050)六轴运动处理模块。
在本实施例中，所述蓝牙模块采用型号为CY-BT-04蓝牙模块，所述CY-BT-04蓝牙模块的芯片采用Blu eCore4-Ext芯片，遵循V2.1+EDR蓝牙规范，CY-BT-04蓝牙模块支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF接口，并支持SPP蓝牙串口协议。
在本实施例中，所述直流电机驱动模块采用型号为TB6612FNG直流电机驱动模块，采用大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，PWM支持频率高达100kHz，待机状态TB6612FNG直流电机驱动模块内置低压检测电路与热停机保护电路。
在本实施例中，所述微控芯片采用型号为STM32F系列中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3，该STM32FARM微控制器按片内Flash的大小可分为三大类:小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384K和512K)，程序存储器容量是64KB，电压2V~3.6V，工作温度为-40°C~85°C,数据转换器A/D10x12b,振荡器位于内部。
在本实施例中，所述视觉模块采用OpenMV摄像头，该OpenMV摄像头程序的编写通过高级语言Python脚本，可以完全控制OpenMV，包括IO引脚，Differencing帧差分算法，ColorTracking颜色追踪，MarkerTracking标记跟踪，OpticalFlow光流算法。
本实施例中，根据PI算法确定风轮调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：六轴处理模块获取平衡车姿态角度以及速度信息，然后对姿态角度进行微分处理得到姿态角速度，对速度信息进行积分处理得到速度值，然后根据公式
Figure 648231DEST_PATH_IMAGE001
得到风轮调整参数a，其中k、p和d为角度调节参数，
Figure 950643DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 490078DEST_PATH_IMAGE003
为速度调节参数，
Figure 619577DEST_PATH_IMAGE004
为速度信息，B为姿态角度，
Figure 41200DEST_PATH_IMAGE005
为姿态角速度；
根据确定风轮调整参数对风轮的电机瞬间转动需要的电压值进行调整，风轮的电机在瞬时加速下带动风轮加速产生离心加速度将小车往反方向上施力使得平衡车处于平衡状态。
以上，由于直立平衡必然会影响到小车的前进，小车在直立控制的作用下，小车会前倾获取加速度，所以车轮会向后运动，这时小车的速度会被减慢，但是由于是负反馈作用，速度减慢之后，速度控制的偏差会增大，小车前倾的角度会增大，如此作用，小车便不能保持直立平衡，所以一般的单负反馈***在直立控制的影响下会起到正反馈的作用，所以不能采用一般的单负反馈***，要使用串级负反馈***，在串级负反馈***中，使用微分的效果不明显，所以这里采用的是PI算法控制，使得控制效果更好，且由于风轮的电机瞬间电压使得风轮产生瞬间加速从而产生李欣加速度将小车往反方向产生作用力从而处于平衡状态。
本实施例中，步骤5中根据PID算法确定直流电机驱动模块调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：
51：比例参数相当于所述平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度，当逐步增大比例参数时，所述平衡车开始能够保持直立，微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；
52：调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；
53.减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，根据调节的比例参数、微分参数最终输出直流电机模块电机速度调整参数值，具体地根据PID公式通过对平衡车速度以及姿态角度信息进行检测然后确定直流电机模块电机速度调整参数（如电机速度的电压值）使得直流电机模块电机瞬间加速从而产生一定反作用力使得其处于平衡状态从而控制平衡车处于平衡状态
本发明对应的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：通过移动终端接收使用者操作；
步骤2：通过移动终端发送控制指令至蓝牙模块；
步骤3：通过蓝牙模块将控制信息发送至微控芯片；
步骤4：视觉模块采集激光信号并生成运动轨迹发送给微控芯片；
步骤5：微控芯片检测平衡车是否处于静止状态，若是，则通过六轴处理模块获取平衡车姿态角度偏差，然后根据PI算法确定风轮调整参数使得平衡车处于平衡状态；若不是，则通过六轴处理模块获取平衡车车体姿态的空间数据，然后根据PID算法确定直流电机驱动模块调整参数使得平衡车处于平衡状态并按照运动轨迹移动。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光追踪平衡车控制***，其特征在于：包括蓝牙模块、直流电机驱动模块、微控芯片、风轮模块、六轴运动处理模块、视觉模块和移动终端，所述微控芯片，用于存储程序并接收所述蓝牙模块发送的控制指令，向直流电机驱动模块以及风轮模块发送控制指令，同时根据PID算法确定平衡车在运动时直流电机驱动模块调整参数确保平衡车保持平衡状态并按照运动轨迹进行移动；根据PI算法确定平衡车在停止时风轮模块调整参数确保平衡车保持平衡状态；
所述蓝牙模块，用于获取移动终端的控制指令，并将控制指令发送至微控芯片；
所述直流电机驱动模块，用于获取微控芯片的控制指令并执行控制直流电机进行正转、反转、制动、停止操作；
所述移动终端，用于接收使用者的操作并发送指令至蓝牙模块控制激光追踪平衡车；
所述六轴运动处理模块，用于检测车体姿态的空间状态并发送给微控芯片，所述视觉模块，用于实现激光追踪并获得运动轨迹并发送给单片机；
所述风轮模块，用于根据微控芯片的处理指令，
所述移动终端连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述微控芯片导线连接，所述微控芯片通过导线与所述直流电机驱动模块、六轴运动处理模块、风轮模块和视觉模块导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光追踪平衡车控制***，其特征在于：所述视觉模块采用OpenMV摄像头。
3.根据权利要求1所述的一种激光追踪平衡车控制方法，其特征在于：根据PI算法确定风轮调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：六轴处理模块获取平衡车姿态角度以及速度信息，然后对姿态角度进行微分处理得到姿态角速度，对速度信息进行积分处理得到速度值，然后根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
得到风轮调整参数a，其中k、p和d为角度调节参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为速度调节参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为速度信息，B为姿态角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为姿态角速度；
根据确定风轮调整参数对风轮的电机瞬间转动需要的电压值进行调整，风轮的电机在瞬时加速下带动风轮加速产生离心加速度将小车往反方向上施力使得平衡车处于平衡状态。
4.根据权利要求1所述的一种激光追踪平衡车控制方法，其特征在于根据PID算法确定直流电机驱动模块调整参数使得平衡车处于平衡状态具体包括：
51：比例参数相当于所述平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度，当逐步增大比例参数时，所述平衡车开始能够保持直立，微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；
52：调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；
减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，根据调节的比例参数、微分参数最终输出直流电机模块电机速度调整参数值。
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