一种基于PID控制器的自平衡车避障系统的制作方法

本发明涉及一种基于pid控制器的自平衡车避障系统。

背景技术：

近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强祸合的系统,是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。

两轮自平衡小车的研究是在移动机器人研究的基础上发展起来的。移动机器人技术随着很多技术的进步而发展的，如计算机技术、微电子技术、软件技术等相关领域，机器人的发展水平可以说甚至代表着一个国家的综合实力。两轮自平衡小车是移动机器人的一种。它是自动控制理论与技术和动力学理论相结合的一个研宄性课题，可以感知动态决策的功能。两轮自平衡小车车身中心位于车轮轴的上方，能保持平衡且可行走。其结构特殊能适应地形的变化，运动灵活，能在一些复杂环境里工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于将主控制电路与多种传感器电路集于一体，对现有市面上的两轮平衡车的电路结构进行改进，加入了避障模块电路，以实现避障功能。

上述目的通过如下技术方案实现：

一种基于pid控制器的自平衡车避障系统，包括主控制器、超声波传感器电路、姿态传感器电路、电机驱动电路、显示电路和电源电路；其中：

所述主控制器为基于pid控制的stm32核心处理器；

电源电路包括航模电池和电压转换电路，电压转换电路与主控制器、电机驱动器连接；

用于测量前方障碍物距离的超声波传感器电路与主控制器连接；

集成有加速度计、三轴陀螺仪的姿态传感器电路与主控制器连接；

所述电机驱动电路包括电机、编码器、电机驱动器，编码器分别与电机、电机驱动器和主控制器连接，电机驱动器与主控制器连接；

所述显示电路与主控制器连接。

优选地，所述航模电池为12v。

优选地，所述姿态传感器电路采用mpu6050姿态传感器电路。

优选地，所述电机驱动器采用电机驱动器tb6612。

优选地，所述显示电路采用oled显示电路。

本发明的有益效果：

本发明提供的自平衡车避障系统在现有技术基础上加入了避障模块电路，采用电路模块化设计，既能完成多种传感器组合工作还可实现避障功能；本发明系统体积小，结构简单，灵活性强，可大大减少因缺少避障功能而引起的交通事故。

附图说明

图1为本发明电路整体框图；

图2为本发明工作流程图；

图3为电源电压转换电路图；

图4为姿态传感器电路图；

图5为电机驱动电路图；

图6为串口下载电路图；

图7为蓝牙串口电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体介绍本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供的自平衡车避障系统包括主控制器、超声波传感器电路、mpu6050姿态传感器电路、电机驱动电路、oled显示电路和电源电路。图2为工作流程图。

主控制器为基于pid控制的stm32核心处理器，提供大量串口并存取数据。

电源电路包括12v航模电池和电压转换电路，电压转换电路与主控制器、电机驱动器连接。电源电路由电压转换电路、稳压电路、滤波电路构成，由12v航模电池供电，分别与主控制器和电机驱动器相连，并提供一定的工作电压，为主控制器和各个模块供电，保证了电路各个器件的正常工作。图3为电压转换电路的电路图，电压转换电路采用二级降压，通过lm2596t芯片将航模电池的12v电压转换成5v电压，接着通过ams1117稳压芯片将5v电压转换成3.3v电压，为stm32核心处理器供电。

用于测量前方障碍物距离的超声波传感器电路与主控制器连接。

电机驱动电路包括电机、编码器、电机驱动器tb6612，编码器分别与电机、电机驱动器和主控制器连接，电机驱动器与主控制器连接。电机驱动器的端口与主控制器相连直接驱动电机，通过给与之连接的主控制器的两个端口分别以pwm信号，从而实现电机的运转。图5为电机驱动电路图，电机驱动电路由电机、编码器、电机驱动器tb6612构成。编码器tb6612的ao1和ao2端口与直流电机的正极(+)和负极(-)端口相连，tb6612的pwma、ain1、ain2三个端口分别与stm32主开发板相连，其中pwma与stm32的pwm端口相接，一般为10khz的pwm即可。12v航模电池与tb6612的vm端口相连提供稳定电压，vcc端口为内部的逻辑供电，一般给3.3v或者5v。stm32通过给tb6612的pwma、ain1、ain2三个端口发送pwm信号，来实现电机的运转，并通过改变占空比来调节电机的速度。霍尔编码器由霍尔码盘与霍尔元件组成，霍尔码盘是在一定直径的圆板上等分地布置有不同的磁极。霍尔码盘与电机同轴，电机旋转时，霍尔元件检测输出若干脉冲信号，为判断转向，一般输出两组存在一定相位差的方波信号。编码器有ab相输出，不仅可以测速，还可以辨别转向。编码器外接四根线，给其中两条线分别接5v电源和地，当电机转动时即可通过ab相(另外两根线)输出方波信号，编码器自带了上拉电阻，无需外部上拉，直接与stm32相连，从而读出速度数据。

mpu6050姿态传感器电路与主控制器连接。mpu6050姿态传感器电路集成了加速度计、三轴陀螺仪，用来测量自平衡车的倾角和角速度，将编码器与电机相连，再与主控制器的io口相连，由电池供电，来测量速度、辨别方向，从而实现自平衡车平衡。图4为姿态传感器电路图。姿态传感器电路采用mpu6050芯片组成，集线加速度计和三轴陀螺仪，通过iic接口通信(pb8，pb9)，可输出三个方向上的加速度信号，当平衡车有一定的倾角之后，重力加速度会在x轴或y轴有重力加速度分量，该轴倾斜的角度和重力分量的大小相关。将这些信息通过端口发送到stm32，计算出倾角度。三轴陀螺仪的作用是测量角速度。陀螺仪将输出的角速度信息送给stm32，从而实现角速度的监测。

oled显示电路与主控制器连接。oled显示电路显示系统运行状态、速度设定、角度显示、电压显示、模式选择、程序下载与监控。

图6为串口下载电路图，串口下载电路采用ch340g设计，对stm32核心处理器进行程序下载。图7为蓝牙串口电路图，蓝牙串口电路采用spp-c蓝牙转串口模块，通过stm32的串口与该模块的串口进行连接，实现手机端无线控制平衡车。

工作原理：

本发明的电路主要包括主控制器电路、超声波传感器电路、姿态传感器电路、电机驱动电路、oled显示电路、电源电路和蓝牙串口电路。其主要工作原理如下：一种基于pid控制器的自平衡车避障设计，系统控制采用pid控制，电源电路为该系统提供多种电压工作；主控制器通过i2c接口与姿态传感器连接，获取自平衡车的倾斜角度；超声波传感器通过数字io口与主控制器通信，测量障碍物距离；控制器输出pwm脉冲信号给编码器调节电机的速度和方向；oled显示电路通过spi通信实时显示倾斜角度信息。主控制器接收姿态传感器和超声波传感器的数据，输入到pid控制器，其输出信号经主控制器发送到电机驱动电路控制电机工作，实现自平衡车的直立行进和避障设计。

本发明提供的自平衡车避障系统在现有技术基础上加入了避障模块电路，采用电路模块化设计，既能完成多种传感器组合工作还可实现避障功能；本发明系统体积小，结构简单，灵活性强，可大大减少因缺少避障功能而引起的交通事故。

上述实施例的作用仅在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。对本发明技术方案进行简单修改或者简单替换不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。