本發明涉及一種基于pid控制器的自平衡車避障系統。

背景技術：

近年來，隨著移動機器人研究不斷深入、應用領域更加廣泛，所面臨的環境和任務也越來越復雜。機器人經常會遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉角的工作場合，如何在這樣比較復雜的環境中靈活快捷的執行任務，成為人們頗為關心的一個問題。雙輪自平衡機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高度不穩定兩輪機器人，是一種多變量、非線性、強禍合的系統,是檢驗各種控制方法的典型裝置。同時由于它具有體積小、運動靈活、零轉彎半徑等特點，將會在軍用和民用領域有著廣泛的應用前景。因為它既有理論研究意義又有實用價值，所以兩輪自平衡小車的研究在最近十年引起了大量機器人技術實驗室的廣泛關注。

兩輪自平衡小車的研究是在移動機器人研究的基礎上發展起來的。移動機器人技術隨著很多技術的進步而發展的，如計算機技術、微電子技術、軟件技術等相關領域，機器人的發展水平可以說甚至代表著一個國家的綜合實力。兩輪自平衡小車是移動機器人的一種。它是自動控制理論與技術和動力學理論相結合的一個研宄性課題，可以感知動態決策的功能。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。其結構特殊能適應地形的變化，運動靈活，能在一些復雜環境里工作。

技術實現要素：

本發明的目的在于將主控制電路與多種傳感器電路集于一體，對現有市面上的兩輪平衡車的電路結構進行改進，加入了避障模塊電路，以實現避障功能。

上述目的通過如下技術方案實現：

一種基于pid控制器的自平衡車避障系統，包括主控制器、超聲波傳感器電路、姿態傳感器電路、電機驅動電路、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換電路，電壓轉換電路與主控制器、電機驅動器連接；

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、三軸陀螺儀的姿態傳感器電路與主控制器連接；

所述電機驅動電路包括電機、編碼器、電機驅動器，編碼器分別與電機、電機驅動器和主控制器連接，電機驅動器與主控制器連接；

所述顯示電路與主控制器連接。

優選地，所述航模電池為12v。

優選地，所述姿態傳感器電路采用mpu6050姿態傳感器電路。

優選地，所述電機驅動器采用電機驅動器tb6612。

優選地，所述顯示電路采用oled顯示電路。

本發明的有益效果：

本發明提供的自平衡車避障系統在現有技術基礎上加入了避障模塊電路，采用電路模塊化設計，既能完成多種傳感器組合工作還可實現避障功能；本發明系統體積小，結構簡單，靈活性強，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為本發明電路整體框圖；

圖2為本發明工作流程圖；

圖3為電源電壓轉換電路圖；

圖4為姿態傳感器電路圖；

圖5為電機驅動電路圖；

圖6為串口下載電路圖；

圖7為藍牙串口電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例具體介紹本發明的技術方案。

如圖1所示，本發明提供的自平衡車避障系統包括主控制器、超聲波傳感器電路、mpu6050姿態傳感器電路、電機驅動電路、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據。

電源電路包括12v航模電池和電壓轉換電路，電壓轉換電路與主控制器、電機驅動器連接。電源電路由電壓轉換電路、穩壓電路、濾波電路構成，由12v航模電池供電，分別與主控制器和電機驅動器相連，并提供一定的工作電壓，為主控制器和各個模塊供電，保證了電路各個器件的正常工作。圖3為電壓轉換電路的電路圖，電壓轉換電路采用二級降壓，通過lm2596t芯片將航模電池的12v電壓轉換成5v電壓，接著通過ams1117穩壓芯片將5v電壓轉換成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。

電機驅動電路包括電機、編碼器、電機驅動器tb6612，編碼器分別與電機、電機驅動器和主控制器連接，電機驅動器與主控制器連接。電機驅動器的端口與主控制器相連直接驅動電機，通過給與之連接的主控制器的兩個端口分別以pwm信號，從而實現電機的運轉。圖5為電機驅動電路圖，電機驅動電路由電機、編碼器、電機驅動器tb6612構成。編碼器tb6612的ao1和ao2端口與直流電機的正極(+)和負極(-)端口相連，tb6612的pwma、ain1、ain2三個端口分別與stm32主開發板相連，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端口相連提供穩定電壓，vcc端口為內部的邏輯供電，一般給3.3v或者5v。stm32通過給tb6612的pwma、ain1、ain2三個端口發送pwm信號，來實現電機的運轉，并通過改變占空比來調節電機的速度。霍爾編碼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。霍爾碼盤與電機同軸，電機旋轉時，霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號，為判斷轉向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號。編碼器有ab相輸出，不僅可以測速，還可以辨別轉向。編碼器外接四根線，給其中兩條線分別接5v電源和地，當電機轉動時即可通過ab相(另外兩根線)輸出方波信號，編碼器自帶了上拉電阻，無需外部上拉，直接與stm32相連，從而讀出速度數據。

mpu6050姿態傳感器電路與主控制器連接。mpu6050姿態傳感器電路集成了加速度計、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，從而實現自平衡車平衡。圖4為姿態傳感器電路圖。姿態傳感器電路采用mpu6050芯片組成，集線加速度計和三軸陀螺儀，通過iic接口通信(pb8，pb9)，可輸出三個方向上的加速度信號，當平衡車有一定的傾角之后，重力加速度會在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。將這些信息通過端口發送到stm32，計算出傾角度。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，從而實現角速度的監測。

oled顯示電路與主控制器連接。oled顯示電路顯示系統運行狀態、速度設定、角度顯示、電壓顯示、模式選擇、程序下載與監控。

圖6為串口下載電路圖，串口下載電路采用ch340g設計，對stm32核心處理器進行程序下載。圖7為藍牙串口電路圖，藍牙串口電路采用spp-c藍牙轉串口模塊，通過stm32的串口與該模塊的串口進行連接，實現手機端無線控制平衡車。

工作原理：

本發明的電路主要包括主控制器電路、超聲波傳感器電路、姿態傳感器電路、電機驅動電路、oled顯示電路、電源電路和藍牙串口電路。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計，系統控制采用pid控制，電源電路為該系統提供多種電壓工作；主控制器通過i2c接口與姿態傳感器連接，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脈沖信號給編碼器調節電機的速度和方向；oled顯示電路通過spi通信實時顯示傾斜角度信息。主控制器接收姿態傳感器和超聲波傳感器的數據，輸入到pid控制器，其輸出信號經主控制器發送到電機驅動電路控制電機工作，實現自平衡車的直立行進和避障設計。

本發明提供的自平衡車避障系統在現有技術基礎上加入了避障模塊電路，采用電路模塊化設計，既能完成多種傳感器組合工作還可實現避障功能；本發明系統體積小，結構簡單，靈活性強，可大大減少因缺少避障功能而引起的交通事故。

上述實施例的作用僅在于說明本發明的實質性內容，但并不以此限定本發明的保護范圍。對本發明技術方案進行簡單修改或者簡單替換不脫離本發明技術方案的實質和保護范圍。