CN110602196A - 一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法 - Google Patents

一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及平衡车领域，特别是一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法。所述追踪平衡车包括平衡车移动本体和平衡移动控制系统；车架底部设有两个滚轮；所述平衡移动控制系统包括：Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、openmv电路板和图像采集装置；所述追踪平衡车与传统的平衡车有很大的区别，传统的平衡车一般都是四轮行驶或者是三轮行驶，所述追踪平衡车采用的是双轮行走，在保持双轮平衡行走的前提下，还可以进行激光信号的追踪行驶，且比三轮或四轮平衡车更加灵活，更加适用于狭隘地形；所述控制方法使得所述追踪平衡车使用更加简单方便，娱乐性更高，控制方式多样化，运行更加安全稳定，适用范围更广。

Description

一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法
技术领域
本发明涉及平衡车领域，特别是一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法。
背景技术
社会的进步，意味着人们生活水品的提高，娱乐和学习的比重不断增加，特别是在让孩子娱乐的同时，也可以学习到很多东西，这个是现代人们的一个期望，也是当代社会的一个难题，也是未来儿童玩具的发展走向。基于现实考虑，现有技术中出现居多适合儿童电子消费产品；其中平衡电动车是比较常见的一种电子产品，现有的平衡电动车的自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”(DynamicStabilization)的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力；以内置的精密固态陀螺仪(Solid-State Gyroscopes)来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。目前的平衡车允许使用者在骑行时随意摇晃，其上的控制系统会自动进行驱动电机处理进行平衡修正；由于现有的控制系统的功能缺陷，导致驱动电机处理平衡修正的时间较长，使该种类型的自平衡车在使用时存在的风险较大；而且只具备平衡移动的单一功能，使用趣味性低。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于图像处理的追踪平衡车及其控制方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于图像处理的追踪平衡车，其包括：平衡车移动本体和平衡移动控制系统；所述平衡移动本体包括车架，设置于车架内部的驱动装置和传动机构，以及设置于车架底部的两个滚轮，所述传动机构将所述驱动装置和两个滚轮传动连接；所述平衡移动控制系统包括：Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、openmv电路板和图像采集装置；所述Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、图像采集装置和所述驱动装置均与所述openmv电路板电联接。
所述Mpu6050平衡模块集成三轴加速度计；三轴加速度传感器是现有技术，其是基于加速度的基本原理去实现工作，具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，所述Mpu6050平衡模块集成三轴加速度计，能够输出三个方向上的加速度信号，通过收集这些数据，再通过所述PID算法转换模块利用PID算法，使所述追踪平衡车根据自身状态做出相应的调整让所述追踪平衡车始终能保持平衡的状态。
所述图像采集装置为摄像头；所述openmv电路板采用Python脚本编写程序，所述摄像头与所述openmv电路板采用Python脚本通讯；Python脚本的高级数据结构很容易在机器视觉算法中处理复杂的输出，而且可以完全控制OpenMV电路板和所述摄像头，包括IO引脚，Differencing帧差分算法，Color Tracking颜色追踪，Marker Tracking标记跟踪，Optical Flow光流算法等方面；进而可以让所述追踪平衡车的追踪移动能力更强大，能适应对不同追踪标记的追踪操作。
所述平衡移动控制系统还包括蓝牙模块、无线网络通讯模块、存储模块和移动终端，所述移动终端通过所述蓝牙模块与所述追踪平衡车联接通讯；所述存储模块用于储存所述追踪平衡车的运行信息。所述蓝牙模块主要用于短距离的数据无线传输，无线网络通讯模块用于局域网或远程的数据无线传输，方便用户和追踪平衡车通讯或远程控制，避免繁琐的线缆连接，能直接替代串口线，能实现对追踪平衡车的实时控制。
应用如上所述的一种基于图像处理的追踪平衡车的控制方法，其应用于追踪平衡车的平衡移动控制系统中，其特征在于，包括如下步骤：
a.开启追踪平衡车电源开关，平衡车在所述PID算法转换模块的实时运算下，并配合Mpu6050平衡模块维持自身初始平衡；
b.用户通过移动终端选择运行模式和移动速度上限；
c.当用户选择进入激光追踪模式时，所述图像采集装置和penmv电路板配合，开始追踪采集激光坐标和移动路径信息规划出追踪路径信息，所述平衡车根据追踪路径信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；当用户选择手动操作模式时，所述平衡车根据用户操控实时规划运动信息，并根据运动信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；
d.所述追踪平衡车每次从移动到停止状态时，会主动收集并储存一次移动过程的运动信息。
所述追踪平衡车是集无线控制、红外追踪、平衡运行等功能为一体的，其平衡性更好，移动也更灵活，在平衡运行的基础上，还加入了红外激光追踪功能，让平衡车不再是平衡运行的单一功能，而且还有手机app的控制功能，实现了控制方式的多样化，让使用人有一个更好的体验感。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤a和步骤c中所述PID算法转换模块的运算过程包括如下内容：
1)比例参数相当于所述追踪平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度所产生的效果才能够使得所述追踪平衡车保持直立，当逐步增大比例参数时，所述追踪平衡车开始能够保持直立，进一步加大时，所述追踪平衡车开始出现来回摆动现象；微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；2)调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；3)适当减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述追踪平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，在这些参数附近进行多次试验，直到得出一组最优参数为止。所述追踪平衡车根据上述内容，可以将PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块运行配合度大大提高，进而让所述追踪平衡车的平衡调节速度更快，平衡性更好移动，更稳定安全。
更优的，所述步骤d还包括如下内容：
1)无线网络模块定时调取与网关交互联网信息，检测判断所述移动终端或所述电脑操作端是否在局域网；
2)当检测判断出所述移动终端在局域网内，所述存储模块将运行信息储存在本地；当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络联接，无线网络模块将运行信息上传至云端服务器；当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络断开，无线网络模块将运行信息储存在网关设有的存储模块内，待网关与云端服务器的网络重新联接，无线网络通讯模块发出指令将网关内运行信息上传至云端服务器。所述控制方法通过上述步骤，可以充分保证所述追踪平衡车的运行信息全面被记录下来，用户不管在远程还是断网的情况下，都能及时查询到各个时段的运行信息，让所述追踪平衡车的运行情况，尤其是一些特殊运行故障出现事，可以实时查询查找原因，让所述追踪平衡车的使用更加安全。
所述追踪平衡车与传统的平衡车有很大的区别，传统的平衡车一般都是四轮行驶或者是三轮行驶，所述追踪平衡车采用的是双轮行走，在保持双轮平衡行走的前提下，还可以进行激光信号的追踪，且比三轮，四轮更加灵活，更加适用于狭隘地形；所述控制方法使得所述追踪平衡车使用更加简单方便，娱乐性更高，控制方式多样化，运行更加安全稳定，适用范围更广。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的电路组成示意框图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种基于图像处理的追踪平衡车，其包括：平衡车移动本体和平衡移动控制系统；所述平衡移动本体包括车架，设置于车架内部的驱动装置和传动机构，以及设置于车架底部的两个滚轮，所述传动机构将所述驱动装置和两个滚轮传动连接；所述平衡移动控制系统包括：Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、openmv电路板和图像采集装置；所述Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、图像采集装置和所述驱动装置均与所述openmv电路板电联接。
具体的，Mpu6050平衡模块具体为MPU-6000(6050)，其整合性6轴运动处理组件，相较于现有技术，其免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的安装空间；当其集成到三轴加速度计时，MPU-6000(6050)提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C或SPI端口，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。
具体的，所述追踪平衡车设有的驱动装置为电机，用于控制电机的电机驱动器件为TB6612FNG，其它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机；TB6612FNG每通道输出最高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；待机状态；片内低压检测电路与热停机保护电路。
具体的，所述追踪平衡车的中控电路设有STM32F系列芯片，STM32F系列芯片属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类:小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384K和512K)。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃,数据转换器:A/D10x12b,振荡器型:内部。
具体的，所述Mpu6050平衡模块集成三轴加速度计。
所述图像采集装置为摄像头；所述openmv电路板采用Python脚本编写程序，所述摄像头与所述openmv电路板采用Python脚本通讯。
具体的，所述追踪平衡车采用OpenMV摄像头，其为所述摄像头与所述openmv电路板集成是一款小巧，低功耗，低成本的视觉装置，其主要的作用是在机器视觉(machinevision)应用，其内部程序的编写通过高级语言Python脚本(准确的说是“MicroPython”)，而不是C/C++语言。
所述平衡移动控制系统还包括蓝牙模块、无线网络通讯模块、存储模块和移动终端，所述移动终端通过所述蓝牙模块与所述追踪平衡车联接通讯；所述存储模块用于储存所述追踪平衡车的运行信息。
应用如上所述的一种基于图像处理的追踪平衡车的控制方法，其应用于追踪平衡车的平衡移动控制系统中，包括如下步骤：
a.开启追踪平衡车电源开关，平衡车在所述PID算法转换模块的实时运算下，并配合Mpu6050平衡模块维持自身初始平衡；
b.用户通过移动终端选择运行模式和移动速度上限；
c.当用户选择进入激光追踪模式时，所述图像采集装置和penmv电路板配合，开始追踪采集激光坐标和移动路径信息规划出追踪路径信息，所述平衡车根据追踪路径信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；当用户选择手动操作模式时，所述平衡车根据用户操控实时规划运动信息，并根据运动信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；
d.所述追踪平衡车每次从移动到停止状态时，会主动收集并储存一次移动过程的运动信息。
具体的，所述步骤a和步骤c中所述PID算法转换模块的运算过程包括如下内容：1)比例参数相当于所述追踪平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度所产生的效果才能够使得所述追踪平衡车保持直立，当逐步增大比例参数时，所述追踪平衡车开始能够保持直立，进一步加大时，所述追踪平衡车开始出现来回摆动现象；微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；2)调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；3)适当减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述追踪平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，在这些参数附近进行多次试验，直到得出一组最优参数为止。
更优的，所述步骤d还包括如下内容：1)无线网络模块定时调取与网关交互联网信息，检测判断所述移动终端或所述电脑操作端是否在局域网；2)当检测判断出所述移动终端在局域网内，所述存储模块将运行信息储存在本地；当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络联接，无线网络模块将运行信息上传至云端服务器；当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络断开，无线网络模块将运行信息储存在网关设有的存储模块内，待网关与云端服务器的网络重新联接，无线网络通讯模块发出指令将网关内运行信息上传至云端服务器。
所述追踪平衡车与传统的平衡车有很大的区别，传统的平衡车一般都是四轮行驶或者是三轮行驶，所述追踪平衡车采用的是双轮行走，在保持双轮平衡行走的前提下，还可以进行激光信号的追踪，且比三轮，四轮更加灵活，更加适用于狭隘地形；所述控制方法使得所述追踪平衡车使用更加简单方便，娱乐性更高，控制方式多样化，运行更加安全稳定，适用范围更广。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于图像处理的追踪平衡车，其包括：平衡车移动本体和平衡移动控制系统；其特征在于，
所述平衡移动本体包括车架，设置于车架内部的驱动装置和传动机构，以及设置于车架底部的两个滚轮，所述传动机构将所述驱动装置和两个滚轮传动连接；
所述平衡移动控制系统包括：Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、openmv电路板和图像采集装置；所述Mpu6050平衡模块、PID算法转换模块、图像采集装置和所述驱动装置均与所述openmv电路板电联接。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的追踪平衡车，其特征在于，所述Mpu6050平衡模块集成三轴加速度计。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的追踪平衡车，其特征在于，所述图像采集装置为摄像头；所述openmv电路板采用Python脚本编写程序，所述摄像头与所述openmv电路板采用Python脚本通讯。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的追踪平衡车，其特征在于，所述平衡移动控制系统还包括蓝牙模块、无线网络通讯模块、存储模块和移动终端，所述移动终端通过所述蓝牙模块与所述追踪平衡车联接通讯；所述存储模块用于储存所述追踪平衡车的运行信息。
5.应用如权利要求1-4中任意一项所述的一种基于图像处理的追踪平衡车的控制方法，其应用于追踪平衡车的平衡移动控制系统中，其特征在于，包括如下步骤：
a.开启追踪平衡车电源开关，平衡车在所述PID算法转换模块的实时运算下，并配合Mpu6050平衡模块维持自身初始平衡；
b.用户通过移动终端选择运行模式和移动速度上限；
c.当用户选择进入激光追踪模式时，所述图像采集装置和penmv电路板配合，开始追踪采集激光坐标和移动路径信息规划出追踪路径信息，所述平衡车根据追踪路径信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；当用户选择手动操作模式时，所述平衡车根据用户操控实时规划运动信息，并根据运动信息移动，同时所述追踪平衡车在PID算法转换模块和Mpu6050平衡模块配合下保持追踪平衡车平衡移动；
d.所述追踪平衡车每次从移动到停止状态时，会主动收集并储存一次移动过程的运动信息。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤a和步骤c中所述PID算法转换模块的运算过程包括如下内容：
1)比例参数相当于所述追踪平衡车倒下的回复力，该参数要大于重力加速度所产生的效果才能够使得所述追踪平衡车保持直立，当逐步增大比例参数时，所述追踪平衡车开始能够保持直立，进一步加大时，所述追踪平衡车开始出现来回摆动现象；微分参数相当于阻尼力，调节微分参数用于抑制车模的摆动；
2)调节比例参数P、微分参数D这两个参数时遵循先比例后微分的顺序，先调整比例参数使得所述追踪平衡车能够保持直立并且开始来回摆动，然后逐步增加微分参数，所述追踪平衡车逐步直立稳定，进一步增大微分参数直到两轮自平衡车开始共振，至此确定微分参数的最大值；
3)适当减小微分参数，然后逐步增大比例参数，直到所述追踪平衡车又开始震荡，至此确定比例参数的最大值，在这些参数附近进行多次试验，直到得出一组最优参数为止。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括如下内容：
1)无线网络模块定时调取与网关交互联网信息，检测判断所述移动终端或所述电脑操作端是否在局域网；
2)当检测判断出所述移动终端在局域网内，所述存储模块将运行信息储存在本地；
当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络联接，无线网络模块将运行信息上传至云端服务器；
当检测判断出所述移动终端不在局域网内，且网关与云端服务器的网络断开，无线网络模块将运行信息储存在网关设有的存储模块内，待网关与云端服务器的网络重新联接，无线网络通讯模块发出指令将网关内运行信息上传至云端服务器。
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