基于超聲波的自動避障雙輪平衡車設計及原理樣機開發

孫亞飛

（深圳信息職業技術學院 機電工程學院，深圳 518172）

平衡車是近年來國內外學者研究、開發的熱點技術，具有結構簡單、運動靈活以及適合在狹小空間里工作等特點，應用市場廣泛。

各類平衡車在運行過程中容易碰到物體，產生危險。如果能設計一定的障礙物避讓功能，便能提高其運行的安全性，減少危險。本文嘗試采用超聲波測距技術，利用STM32F103微處理器及MPU6050姿態傳感器，設計并開發了一款自動避障雙輪平衡車原理樣車，使其具有自動避障功能，提高其運行過程的安全性。

1 系統總體設計

該自動避障雙輪平衡車主要由機械結構和控制系統兩大部分構成，具體如圖1所示。

機械結構部分是整個平衡車的承載平臺，主要包括車身、車輪、底板和托盤等部分；控制系統部分是整個平衡車的控制中心，主要包括硬件電路、控制程序和顯示面板等部分。其總體結構設計如圖2所示。

本自動避障雙輪平衡車的機械結構設計部分主要考慮到要減小車身重心的高度，以便有效提高車體穩定性，減少控制系統控制過程的復雜程度，提高整車運行過程的平穩性。

本自動避障雙輪平衡車的控制系統設計部分主要利用了超聲波測距技術，結合STM32系列微處理器，設計并開發了具有良好運動控制、信息顯示的控制系統的硬件電路和控制軟件，能根據障礙物探測情況自動避讓。

圖1 自動避障雙輪平衡車主要構成

圖2 自動避障雙輪平衡車總體結構設計圖

2 控制系統設計

基于超聲波測距技術的自動避障平衡車控制系統主要由自動平衡控制系統和自動避障控制系統兩部分構成。

2.1 自動平衡控制系統

雙輪平衡車自動平衡控制系統方案設計如圖3所示。姿態傳感器定時測量平衡車的原始姿態信息，經過姿態信息處理模塊的處理后，將姿態數據發送給主控模塊；主控模塊通過對此姿態信息的分析和處理，獲得電機驅動信號，并發送給電機驅動模塊；電機驅動模塊產生電機驅動電流，驅動左右電機轉動，用以改變當前的平衡車狀態。之后，姿態傳感器繼續測量平衡車的姿態信息，并據此驅動電機轉動，控制平衡車的移動，實現對平衡車的PID閉環平衡控制。

2.2 自動避障控制系統

雙輪平衡車自動避障控制系統方案設計如圖4所示。超聲波測距傳感器用于測量障礙物與其之間的距離，并將得到的距離數據實時發送給主控模塊；主控模塊接收到距離數據后，對其進行分析和處理，確定相應的自動避障模式，并據此產生相應的電機控制驅動信號，發送給電機驅動模塊，產生相應的電機驅動電流，驅動電機運動，產生各種動作。

圖3 雙輪平衡車自動平衡控制方案

圖4 雙輪平衡車自動避障控制方案

3 控制系統開發

本項目控制系統的開發主要包括硬件電路開發和應用軟件開發兩部分。

3.1 硬件電路開發

根據上述控制方案，所設計的基于超聲波測距技術的自動平衡系統硬件電路如圖5所示，主要包括姿態測量模塊、主控模塊和電機驅動模塊等。所設計的基于超聲波測距技術的自動避障控制系統的硬件電路部分如圖6所示，主要包括超聲波測距模塊、主控模塊和電機驅動模塊等。所設計和開發的硬件電路原理圖和實物圖如圖7、圖8所示。

圖5 基于超聲波測距技術的自動平衡系統硬件電路框圖

圖6 基于超聲波測距技術的自動避障系統硬件電路框圖

3.2 應用軟件開發

所設計的應用軟件主流程圖如圖9所示，系統運行時，通過定時中斷進行平衡控制。

所開發的應用程序軟件模塊如圖10所示，主要由配置模塊和控制模塊兩大部分構成。配置模塊是在程序運行前，微處理器及相關模塊所需的預先初始化設置；控制模塊則在程序運行過程中，通過定時中斷或循環查詢等方式對雙輪平衡車的自動平衡及自動避障等進行實時控制。

圖7 硬件電路原理圖

4 實驗測試驗證

所開發的自動避障雙輪平衡車原理樣車上，對其自動平衡及自動避障功能進行測試，具體如圖11所示。

測試結果表明：所開發的基于超聲波測距技術的自動避障雙輪平衡車原理樣車能有效進行平衡控制，并能實現前進、后退、左轉和右轉的功能；該樣車在移動過程中，如果前方遇有障礙物則能及時檢測到該障礙物，并能根據距離該障礙物的遠近進行減速、停止和后退等各種避障模式處理和控制。

圖8 硬件電路實物圖

圖9 主程序流程

圖10 應用程序軟件模塊

通過上述測試，所開發的基于超聲波測距技術的自動避障平衡車原理樣車基本具備了預期的自動平衡控制和自動避障功能，其可用于相關產品開發中的控制系統。

5 結語

本文利用超聲波測距技術，設計并開發了一款基于STM32F103系列微處理器的自動避障雙輪平衡車原理樣車及其外形設計。測試結果表明，所開發的自動避障雙輪平衡車原理樣車能有效實現雙輪平衡車的穩定運行和障礙物避讓功能，可用于相關產品設計和開發的實驗平臺。

圖11 自動避障雙輪平衡車原理樣車

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