CN108572590A - 一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，包括检测模块、控制模块、无线模块、蓝牙模块和电源模块，所述检测模块包括摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块，所述控制模块包括按键模块、电机驱动电路、电机和测速电路，微控制器通过检测模块进行数据采集、处理，并在显示模块上显示，微控制器把采集到的小车倾角、摆杆倾角进行计算，通过二阶PID算法转化成PWM，输出PWM到电机驱动电路，控制电机，实现小车的直立和摆杆的直立，通过手机可以控制小车的前进、后退和转弯等动作。本发明响应速度快、稳定性好，同时具有体积小、质量轻、携带方便、低成本等特点，方便进行PID算法的学习和实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒立摆实验装置，具体涉及一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置。
背景技术
平衡车对于地形的变化有着很强的适应能力，有着灵活的运动性能，能够在比较复杂的环境里面工作，和传统的轮式移动机器人相比较，有着以下几个优点：（1）能够实现在原地回转和任意半径的转向，有着更加灵活易变得移动轨迹，很好的弥补了传统多轮布局的缺点；（2）具有占地面积小的优点，能够在场地面积小或者要求灵活运输的场合上运用；车体的结构上面有了很大的简化，可以把机器人做得更轻更小；（3）有着较小的驱动功率，能够让电池长时间供电，为环保轻型车提供了一种新的概念；（4）通过运用外加的速度传感器、超声波传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，可以实现跟踪、路径规划和自主避障等多种功能。
倒立摆系统是研究控制理论的一种典型实验装置，具有成本低，结构简单的特点，并且具有重要的工程背景。如机器人的站立与行走类似双倒立摆系统、火箭等飞行器的飞行过程中，其姿态的调整类似于倒立摆的平衡等等。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行控制有很大的类似性，因此对倒立摆机理的研究具有很重要的理论和实际意义。
在自平衡小车和倒立摆模型上提出了一种新的二阶控制系统模型平衡小车控制倒立摆系统模型，这种新的模型把平衡小车和倒立摆结合在一起，在实现小车自平衡时，用平衡小车控制倒立摆摆杆的位置，通过这个模型对平衡控制算法的优缺点，适用范围进行研究，主要对以下算法研究：神经网络控制、模糊控制、仿人智能控制、拟人智能控制、云模型、鲁棒控制方法、自适应控制算法、串级PID等，该模型可以用于科研、教学、工业等地方。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置。其技术方案为：
一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，包括检测模块、控制模块、无线模块、蓝牙模块和电源模块，所述检测模块包括摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块，所述摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块与微控制器相连，所述控制模块包括按键模块、电机驱动电路、电机和测速电路，所述按键模块和测速电路与微控制器相连，所述微控制器通过电机驱动电路控制电机，所述无线模块与微控制器相连，所述微控制器通过蓝牙模块和手机无线通信，所述电源模块提供直流电源，微控制器通过检测模块进行数据采集、处理，并在显示模块上显示，微控制器把采集到的小车倾角、摆杆倾角进行计算，通过二阶PID算法转化成PWM，输出PWM到电机驱动电路，控制电机，实现小车的直立和摆杆的直立，通过手机可以控制小车的前进、后退和转弯等动作。
作为优选，摆杆角度测量电路为精密导电塑料电位器。
作为优选，车身角度测量电路为MPU6050姿态传感器。
作为优选，显示模块为OLED显示屏。
作为优选，电机为直流减速电机。
本发明的有益效果：
装置响应速度快、稳定性好，很好的通过手机对蓝牙自平衡小车控制倒立摆装置进行控制，同时在装置上增加按键和OLED屏，方便进行人机交互，同时具有体积小、质量轻、携带方便、低成本等特点，方便进行PID算法的学习和实验。
附图说明：
图1为本发明系统框图；
图2为本发明所述车身角度测量电路；
图3为本发明所述电机驱动电路；
图4为本发明所述测速电路；
图5为本发明所述蓝牙模块连接电路；
图6为本发明所述无线模块连接电路；
图7为本发明所述显示模块连接电路；
图8为本发明所述摆杆角度测量电路；
图9为本发明所述电压采集电路；
图10为本发明所述按键模块连接电路。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细地说明。
系统框图如图1所示：本发明包括检测模块、控制模块、无线模块、蓝牙模块和电源模块，所述检测模块包括摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块，所述摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块与微控制器相连，所述控制模块包括按键模块、电机驱动电路、电机和测速电路，所述按键模块和测速电路与微控制器相连，所述微控制器通过电机驱动电路控制电机，所述无线模块与微控制器相连，所述微控制器通过蓝牙模块和手机无线通信，所述电源模块提供直流电源，微控制器通过检测模块进行数据采集、处理，并在显示模块上显示，微控制器把采集到的小车倾角、摆杆倾角进行计算，通过二阶PID算法转化成PWM，输出PWM到电机驱动电路，控制电机，实现小车的直立和摆杆的直立，通过手机可以控制小车的前进、后退和转弯等动作。摆杆角度测量电路为精密导电塑料电位器。车身角度测量电路为MPU6050姿态传感器。显示模块为OLED显示屏。电机为直流减速电机。
优选的是，所述微控制器选用STM32F103RC单片机，所述电源模块选用LM317和AMS1117芯片，所述无线模块选用NRF2401芯片，所述显示模块选用OLED液晶屏，所述车身角度测量电路选用MPU6050芯片，所述摆杆角度测量电路为精密导电塑料电位器，所述蓝牙模块选用HC-04，所述电机驱动电路选用TB6612芯片。
本发明一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置的工作原理：初次使用时，首先可以设置按键来设置装置的启动模式，默认状态是正常模式，按下一次按键装置开始运行，当长按两秒后，进入避障模式。选定模式后，装置正常启动，微控制器通过车身角度测量电路、摆杆角度测量电路和测速电路，来获取小车车身的倾角、小车上面的摆杆角度和减速电机的转速，并把测量的值显示在OLED液晶屏上，液晶屏上显示倾角、转速、电压值和运行模式，微控制器将读取到的值和设定的值进行PID算法处理，得到PWM输出值，并判断运动的方向，把PWM输出值输出到电机驱动电路上，电机驱动电路驱动减速电机运转来控制小车车身的平衡，进而控制小车摆杆的位置实现摆杆的直立。微控制器把测量到数据通过蓝牙模块传输到手机上，在手机上的显示测量值，通过手机可以控制小车的前进、后退和转弯等动作。微控制器通过无线模块，可以进行远程数据传输。
所述车身角度测量电路如图2所示。MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。MPU6050芯片的SDA和SCL引脚与微控制器的PB11和PB10引脚相连接，并接上上拉电阻R12和R13，CPOUT引脚通过电容C11与GND连接，MPU6050采用3.3V电源供电，并接下拉电阻，INT引脚与微控制器的PB15引脚相连接，CLKIN引脚与GND引脚相连接，VLOGIO引脚通过C17与GND连接，AD0引脚通过R14与GND连接。MPU6050的功能是测出小车的倾角、Z轴的加速度，对微控制器进行负反馈。
所述电机驱动电路如图3所示。电机驱动模块采用TB6612芯片，该芯片相对于传统的L298N效率上提高很多,体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热。TB6612FNG每通道输出最高为1.2A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2A(连续脉冲/单脉冲)；4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止；PWM支持频率高达100kHz；TB6612芯片的VM引脚通过电容C12与GND连接，VCC与5V电压连接，PWMA与微控制器的PA11引脚连接，PWMB与微控制器的PA8引脚连接，AIN2与微控制器的PA15引脚连接，AIN1与微控制器的PB5引脚连接，STBY与5V电源，BIN1与微控制器的PB4引脚连接，BIN2与微控制器的PA12引脚连接，微控制器通过PID算法从PA11和PA8控制PWM到TB6612芯片，TB6612芯片输出引脚A01、A02、B01、B02与减速电机连接，控制装置的平衡。
所述测速电路如图4所示。小车的一个减速电机分别与A01和A02连接，A01、A02分别与电机驱动模块的输出连接，PB6和PB7与霍尔编码器相连接，微控制器通过脉冲捕捉来测量电机的转速；小车的另一个减速电机分别与B01和B02连接，B01、B02分别与电机驱动模块的输出连接，PA0和PA1与霍尔编码器相连接，微控制器通过脉冲捕捉来测量电机的转速。其中电容C18和C19的电容值为0.1UF。该电路是进行测量小车车轮转速的，实现对微控制器进行负反馈的功能。
所述蓝牙模块连接电路如图5所示。蓝牙模块采用HC-04模块，该模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。软件方面支持AT指令，可根据需要使用AT指令更改串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。蓝牙模块的EN和STATE引脚进行悬空，不进行连接，TXD引脚直接与微控制器的PA3连接，RXD直接与微控制器的PA2引脚连接，微控制器的PA2和PA3引脚具有串口的功能，微控制器通过UART对蓝牙进行控制，实现数据传输。该电路可实现手机APP与小车直接通讯，短距离内可以直接在手机APP上看到小车的速度、电量、角度等一些值，并绘制成曲线，直观的显示小车的变化情况，还可以给小车发送命令进行控制。
所述无线模块连接电路如图6所示。无线模块采用NRF2401芯片，NRF2401芯片是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz，ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF2401的CE管脚与微控制器的PC5引脚连接，CSN管脚与微控制器的PB12引脚连接，SCK管脚与微控制器的PA5引脚连接，MOSI管脚与微控制器的PA7引脚连接， MISO管脚与微控制器的PA6引脚连接，IRQ管脚与微控制器的PC4引脚连接，VCC管脚与3.3V电源连接。NRF2401芯片的功能为实现无线传输，使用NRF2401可以进行远程操控。
所述显示模块连接电路如图7所示，OLED液晶屏与微控制器的引脚直接相连进行驱动显示，VCC与GND分别连接到3.3V和接地引脚上，SCL引脚与微控制器的PC13引脚连接，SDA引脚与微控制器的PC14引脚连接，RES引脚与微控制器的PC15引脚连接，DC引脚与微控制器的PC0引脚连接。OLED液晶屏用于显示倒立摆摆杆的倾角、小车车身的倾角、左右编码器的转速、装置所剩下的电量和当前装置所处的模式，具有不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快等特点。
所述摆杆角度测量电路如图8所示，该模块使用3.3V供电，模块与微控制器的PA5引脚直连，使用AD采集输出为电压，从而确定摆杆角度。
所述电压采集电路如图9所示。该模块使用高精度电阻分压的方式对电池电压进行测量，一般航模电池的电量是和电压相关的，比如3S满电的时候是12.6V，过放（电压低于9.6V）必然导致电池永久过放，所以有必要通过监控电池电压的变化，近似表示电池的电量，在电池电量比较低的情况下，提醒我们充电。模块输出与微控制器的PB1引脚连接，电池电压经过电阻分压，衰竭为原来的1/11之后，送微控制器ADC检测，Get_Battery为ADC采集的变量，计算得到电池的电量为Battery_Voltage=Get_Battery*3.3*11/4096。
所述的按键连接电路如图10所示。按键模块采用四脚按键和电阻组成，按键模块是PB14引脚与按键的一个引脚直接相连接，并通过电阻R1和3.3V电压相连接，另一端和GND连接。其中R1的电阻值为10K,按键的功能是进行避障模式和正常模式的切换。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，包括检测模块、控制模块、无线模块、蓝牙模块和电源模块，所述检测模块包括摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块，所述摆杆角度测量电路、车身角度测量电路、电压采集电路和显示模块与微控制器相连，所述控制模块包括按键模块、电机驱动电路、电机和测速电路，所述按键模块和测速电路与微控制器相连，所述微控制器通过电机驱动电路控制电机，所述无线模块与微控制器相连，所述微控制器通过蓝牙模块和手机无线通信，所述电源模块提供直流电源，微控制器通过检测模块进行数据采集、处理，并在显示模块上显示，微控制器把采集到的小车倾角、摆杆倾角进行计算，通过二阶PID算法转化成PWM，输出PWM到电机驱动电路，控制电机，实现小车的直立和摆杆的直立，通过手机可以控制小车的前进、后退和转弯等动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，其特征在于：所述摆杆角度测量电路为精密导电塑料电位器。
3.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，其特征在于：所述车身角度测量电路为MPU6050姿态传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，其特征在于：所述显示模块为OLED显示屏。
5.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙自平衡小车控制倒立摆实验装置，其特征在于：所述电机为直流减速电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180925 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |