基于LiteOS的全向輪平衡車設(shè)計(jì)

樊圓圓 蔡駿 喬啟鳴 吳亞聯(lián)

摘 要：基于LiteOS的全向輪平衡車設(shè)計(jì)由搭載微處理器的車體和手機(jī)客戶端組成。用全向輪替換普通輪胎，提高其靈敏性、可操作性；將微處理器和電機(jī)控制部分相結(jié)合，保證車體正常運(yùn)行；利用多種模塊檢測(cè)車體的速度、所處環(huán)境的溫濕度等信息；利用無(wú)線通信模塊將車體數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”；利用車體內(nèi)置的GPS模塊對(duì)車體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，從而提高其安全性；所配備的手機(jī)客戶端可實(shí)時(shí)查詢車體信息，并進(jìn)行“人車交互”。

關(guān)鍵詞：平衡車；全向輪；HUAWEI LiteOS；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已普及到人們的日常生活中。人們也因?yàn)橛辛诉@些代步工具，出行變得更加便捷。改革開(kāi)放以來(lái)，汽車以每年8%的速度增長(zhǎng)[1]，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益毋庸置疑，但負(fù)面影響也不可忽視。如何做到兼顧環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，是值得深思的問(wèn)題之一。

如今，交通工具正朝著環(huán)保、節(jié)能、小型、便捷等方向發(fā)展，雙輪平衡車的設(shè)計(jì)研究成為當(dāng)今代步工具領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外有很多這方面的研究，目前對(duì)于平衡車這塊的研究主要是用不同組合的微處理器和傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)融合得到準(zhǔn)確的位姿信息，由此來(lái)優(yōu)化“自平衡”。目前，市場(chǎng)上所出現(xiàn)的平衡車，僅僅是在不斷完善代步的功能，并無(wú)其他拓展功能，且其體積小，車體丟失的概率較大。

為了使平衡車更智能化，同時(shí)提高其靈活性、安全性，研究了此款優(yōu)化版平衡車，并融入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念。本文主要闡述了基于HUAWEI輕型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)LiteOS和STM32的全向輪平衡車，為改善出行方式提供新思路。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

本文初步設(shè)計(jì)了一款用于代步的全向輪平衡車。具體實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1）平衡運(yùn)行：使用者踏上車體后，車體維持平衡，穩(wěn)步前行，另外，當(dāng)使用者發(fā)生身體發(fā)生傾斜要跌倒時(shí)，車體立即停止前行，保障使用者的人身安全；

（2）速度控制：使用者可身體前傾或者后傾來(lái)加速或者減速，身體左傾或者右傾來(lái)左轉(zhuǎn)彎或者右轉(zhuǎn)彎；

（3）GPS定位：利用車體內(nèi)的GPS模塊可實(shí)現(xiàn)車體的實(shí)時(shí)定位；

（4）溫濕度檢測(cè)：可以檢測(cè)出車體所處環(huán)境的溫濕度；

（5）藍(lán)牙通信：與手機(jī)終端建立藍(lán)牙通信，利用藍(lán)牙串口實(shí)時(shí)傳輸車體信息；

（6）無(wú)線通信：將車體數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi上傳至服務(wù)器，實(shí)時(shí)提供車體信息，同時(shí)接收服務(wù)器指令，完成相應(yīng)任務(wù)；

（7）遠(yuǎn)程控制：通過(guò)下載車體數(shù)據(jù)，使用者可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查詢車體的位置、速度、溫濕度等信息，同時(shí)下達(dá)相關(guān)命令，遠(yuǎn)程控制車體。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

結(jié)合代步及拓展功能進(jìn)行分析，本全向輪平衡車的核心是由STM32F103微處理器、雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線通信模塊等傳感器共同組成[2]。其中，STM32微處理器對(duì)各傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制各模塊正常運(yùn)作[3]。通過(guò)雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制車體的啟動(dòng)和停止；利用平衡維持模塊中的陀螺儀和加速度計(jì)，可較準(zhǔn)確地測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度和加速度，通過(guò)車體的傾角來(lái)判斷是否加減速、轉(zhuǎn)彎或者發(fā)送跌倒信息；利用藍(lán)牙模塊和WiFi模塊進(jìn)行藍(lán)牙通信和數(shù)據(jù)傳輸，保障遠(yuǎn)程控制的可行性；通過(guò)DHT11傳感器來(lái)檢測(cè)平衡車所在環(huán)境的溫濕度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)平衡車的雙輪運(yùn)轉(zhuǎn)，保證小車正常運(yùn)行，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源。

本模塊使用的是包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片——L298n模塊。通過(guò)將32單片機(jī)的 PWM 輸出引腳連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，利用陀螺儀檢測(cè)出小車的角速度和加速度，由32單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，輸出一個(gè)占空比可變的矩形波來(lái)控制 L298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制平衡小車的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)控制輸入源于所控制的PD值轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)所控制的值；而電機(jī)控制輸出就是將單片機(jī)計(jì)算得到的PWM波形的占空比傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)中。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊即無(wú)線通信模塊，可將用戶的平衡車連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。聯(lián)網(wǎng)后，利用HUAWEI LiteOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，從而保障各功能的正常運(yùn)行[4]。

本系統(tǒng)使用ESP8266模塊，是由上海樂(lè)鑫信息科技設(shè)計(jì)的低功耗WiFi芯片[5]。在SSCOM中向路由器發(fā)送指令 AT 來(lái)進(jìn)行相關(guān)配置，如連接和打開(kāi)WiFi，建立與TCP服務(wù)器的連接，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。在聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)上傳車體數(shù)據(jù)，即可在云平臺(tái)查看車體信息，同時(shí)下載數(shù)據(jù)包，執(zhí)行由客戶端發(fā)送的命令。

2.3 平衡系統(tǒng)模塊

2.3.1 陀螺儀模塊

陀螺儀模塊不僅能判斷物體運(yùn)動(dòng)的角速度，還可分辨出物體的運(yùn)動(dòng)方向。簡(jiǎn)言之，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于陀螺儀和兩輪電動(dòng)平衡小車系統(tǒng)是一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，因此，陀螺儀的角速度反應(yīng)了小車系統(tǒng)的角速度。

本系統(tǒng)使用MPU6050模塊來(lái)測(cè)量角速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)角速度積分[6]，得到角度值。但隨著時(shí)間的推移，積分運(yùn)算產(chǎn)生的誤差較大，所以單獨(dú)使用陀螺儀來(lái)計(jì)算角速度傾角是不夠的，為了維持小車的穩(wěn)定性需加上加速度計(jì)。

2.3.2 加速度計(jì)模塊

為減少上述陀螺儀模塊的誤差，需要結(jié)合加速度計(jì)采集的角速度信號(hào)，才能穩(wěn)定地維持車體平衡。本系統(tǒng)的加速度計(jì)采用MMA7361模塊。如果車體沿著某個(gè)方向傾斜，MMA7361的相應(yīng)軸就會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的變化電壓，同時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，并利用單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換器讀取輸出信號(hào)，以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)方向。結(jié)合傾角和運(yùn)動(dòng)方向來(lái)判斷用戶是否需要轉(zhuǎn)彎或改變出行速度，從而根據(jù)用戶的需求對(duì)車體的運(yùn)行做出進(jìn)一步改變。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)傾角判斷車體將跌倒時(shí)，會(huì)控制電機(jī)停止運(yùn)行。

2.4 藍(lán)牙模塊

本模塊使用奧松機(jī)器人藍(lán)牙4.0模塊。藍(lán)牙可利用單片機(jī)進(jìn)行串口通信，即車體與手機(jī)終端建立通訊，從而實(shí)現(xiàn)客戶端實(shí)時(shí)查詢車體信息的功能。該模塊具有集成度高、成本低、功耗低、藍(lán)牙射頻性能優(yōu)越等特點(diǎn)。

2.5 GPS模塊

GPS模塊用于對(duì)車體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，從而提高其安全性和防盜性。本系統(tǒng)使用野火GPS模塊，其性能高、功耗低，可通過(guò)串口向單片機(jī)及手機(jī)客戶端輸出GPS定位信息。

2.6 溫濕度檢測(cè)模塊

本模塊使用DHT11傳感器檢測(cè)溫濕度，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 初始化界面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的手機(jī)客戶端界面主要顯示來(lái)自車體內(nèi)部核心處理器STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。首先判斷車體是否上線，當(dāng)車體開(kāi)機(jī)后，下載并解析來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，其次顯示其實(shí)時(shí)狀態(tài)，顯示界面共分為4個(gè)子界面，分別為導(dǎo)航定位、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和命令交互。該部分程序的實(shí)現(xiàn)基于C++語(yǔ)言編程完成。其整體設(shè)計(jì)和基本算法的架構(gòu)流程如圖2所示。

3.2 串口屏各功能界面設(shè)計(jì)

3.2.1 導(dǎo)航定位

此功能提供了定位導(dǎo)航服務(wù)，使用者打開(kāi)手機(jī)客戶端便可接收車體此時(shí)的GPS信息，當(dāng)車體遺失時(shí)，可做進(jìn)一步的追蹤，由此提高系統(tǒng)的安全性、防盜性。同時(shí)，可結(jié)合手機(jī)自帶軟件“高德地圖”進(jìn)行導(dǎo)航。其整體設(shè)計(jì)的架構(gòu)流程如圖3所示。

3.2.2 運(yùn)行狀態(tài)

此選項(xiàng)提供車體此時(shí)的設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)對(duì)車體所處的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用者可實(shí)時(shí)了解到車體的運(yùn)行速度、電量及其所在環(huán)境的溫濕度。同時(shí)，對(duì)超速、低電量以及高溫狀態(tài)做出相應(yīng)的警示。其整體設(shè)計(jì)的架構(gòu)流程如圖4所示。

3.2.3 藍(lán)牙通信

當(dāng)車體未連接互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，手機(jī)客戶端可利用藍(lán)牙與車體建立通信，從而顯示設(shè)備狀態(tài)。其整體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.2.4 命令交互

此功能可滿足用戶的不同要求，如自動(dòng)開(kāi)機(jī)、自主到達(dá)指定位置和調(diào)節(jié)速度等。通過(guò)此功能，當(dāng)使用者忘記平衡車的具體位置時(shí)，可讓其自主回到使用者身邊，一定程度上提供了便利，智能引導(dǎo)操作流程如圖6所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析

4.1 全向輪的使用

為平衡車安裝全向輪。全向輪轉(zhuǎn)彎半徑很小，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動(dòng)，不僅能像常見(jiàn)的輪子那樣前后移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，還能橫向移動(dòng)以及原地轉(zhuǎn)圈，靈活快速，易于控制，停車更加方便。

4.2 HUAWEI LiteOS實(shí)時(shí)操作

本系統(tǒng)采用HUAWEI LiteOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并行四個(gè)優(yōu)先級(jí)從高到低的任務(wù)：電機(jī)控制任務(wù)、傳感器信號(hào)采集任務(wù)、藍(lán)牙串口任務(wù)及發(fā)送報(bào)文到服務(wù)器任務(wù)。各任務(wù)周期運(yùn)行，并進(jìn)行進(jìn)程通信，電機(jī)控制任務(wù)對(duì)陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行速度環(huán)、角度環(huán)計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制車體平衡，對(duì)服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)和藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)車體的行進(jìn)控制。此操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的智能化。

4.3 安全性

利用車體的定位系統(tǒng)，可掌握其實(shí)時(shí)位置。當(dāng)車體遺失時(shí)，可進(jìn)行定位追蹤，同時(shí)利用其交互功能，可讓車體發(fā)出警報(bào)，引起周圍人注意，提高系統(tǒng)的安全性和防盜性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文完成了基于LiteOS的全向輪平衡車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)物如圖7所示。以STM32微處理器為核心，利用硬件各模塊搭建了一個(gè)自平衡系統(tǒng)，以HUAWEI LiteOS做為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)整個(gè)平衡系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)易于操作、功能豐富、成本低廉，可廣泛用在實(shí)際生活中的多類場(chǎng)所。

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