CN110673596A - 一种双轮平衡车的自动跟随方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有技术中双轮平衡车跟随技术成本高的问题，本发明提出了一种双轮平衡车的自动跟随方法，包括MCU模块、设置在双轮平衡车上的信号接收组件以及设置在手持智能端上的信号发射组件，其特征在于，手持智能端上的信号发射组件通过固定频率向信号接收组件发送信号，MCU模块根据信号接收组件接收信号的先后顺序，确定双轮平衡车距离手持智能端的距离，从而通过MCU模块发送控制指令驱动双轮平衡车跟随手持智能端移动。本发明利用超声波传感器与无线电传感器实现将双轮自主平衡车与对车主实时跟随有效的进行结合，使原本就十分的吸引人的双轮平衡车更加有趣而实用，大大降低了应用成本。

Description

一种双轮平衡车的自动跟随方法
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种双轮平衡车的自动跟随方法。
背景技术
近年来，随着科技的不断进步和人们生活水平的稳步提高，生活智能化已经处于一个高速发展的时段，智能家用电器已经深入到了生活中的各个角落。1985年日本电通大学的教授山藤一雄利用倒立摆原理，带领团队花费一年的时间研发出世界上第一台双轮平衡车。随着传感器与处理器的飞速发展，双轮平衡车也进入了高速发展的阶段，近年来平衡车已经成为人们出行的必不可少的一种交通工具，并在短途出行中扮演着重要角色。
电子检测技术的高速发展现在已经能成功运用超声波来精确测量距离，超声波测距也不会受到光线的影响。现在已经把超声波测距系统广泛的具体的汽车的行驶与防撞上，在此基础上与无线电传感器相结合将其移植到双轮自平衡车上实现对目标的实时跟随功能。现在阶段双轮平衡车很大程度上解决了人们的短途出行的问题，但在使用后携带繁重问题一直都是用户比较苦恼的。如果能够实现双轮平衡车对车主进行实时的跟随功能，就可以很好的解决平衡车使用后的携带繁重的问题。
目前市场上对平衡车跟随问题的解决方案主要是基于机器视觉的识别跟随，其中做的比较成熟的是平衡车知名公司Segway设计的一款新一代智能平衡车Loomo，通过Segway Robotics自主研发的计算机视觉技术，Loomo可以认识人物，识别周围的环境，知道自己所处的位置，你去哪里它都可以自动跟随你的脚步，避开动态的障碍。虽然智能平衡车Loomo能够达到很高的识别跟随精度，功能强大，但是由于其使用的元器件昂贵加之所用技术复杂导致其双轮平衡车成本急剧上升达近万元，是平常平衡车的价格的五倍之多。智能平衡车Loomo功能虽然完善但由于其高昂的制作成本是不能满足商业推广的需求。本专利利用超声波与无线电的巧妙结合实现双轮平衡车的对车主的实时跟随功能，不仅解决了用户出行携带平衡的难题，而且实现实时跟随功能所用元器件的廉价常见，不会对双轮平衡的成本造成激增。使其具有实时跟随功能且价格优美有极高的竞争力，具有很高的商业推广价值。
发明内容
为了解决现有技术中双轮平衡车跟随技术成本高的问题，本发明提出了一种双轮平衡车的自动跟随方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种双轮平衡车的自动跟随方法，包括MCU模块、设置在双轮平衡车上的信号接收组件以及设置在手持智能端上的信号发射组件，其特征在于，手持智能端上的信号发射组件通过固定频率向信号接收组件发送信号，MCU模块根据信号接收组件接收信号的先后顺序，确定双轮平衡车距离手持智能端的距离，从而通过MCU模块发送控制指令驱动双轮平衡车跟随手持智能端移动。
其中，信号发射组件包括一个无线电发射端和一个超声波发射端；接收组件包括设置在双轮平衡车前、后、左、右四个位置的四个无线电发射端和四个超声波发射端；其中，无线电发射端和超声波发射端同时发出无线电信号和超声波信号，位于双轮平衡车上的四个无线电发射端先收到无线电信号，然后MCU模块中的计时器开始计时；四个超声波发射端先后接收到超声波信号；MCU模块记录每个超声波发射端接收到超声波信号的时长，运用对手持智能端的位置判定方法判断其在双轮平衡车的方位，进而MCU模块控制双轮平衡车的左右两个电机的转向使其向手持智能的方向靠近。
其中，手持智能端相对双轮平衡车的位置判断方法是：MCU模块读取的各个定时器的时间t以及超声波的传播速度v，由公式S＝v*t可以求出前、后、左、右四个位置的四个超声波发射端到手持智能端的距离为：S2'、S3'、S1'、S4'；然后，分别比较前后与左右两个组的距离的大小，S2'大于或者小于S3'时，表示需要跟随的手持智能端位于双轮平衡车的前或后；S4'大于或小于S1'时，表示需要跟随的手持智能端位于双轮平衡车的右或左。
其中，手持智能端相对双轮平衡车之间设置由最小距离阈值R；R＝Sn'*cosα；其中，Sn'为S2'、S3'、S1'、S4'中数值最小的一个；α离手持智能端到最近超声波模块的连线与水平地平线的夹角。
上述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，其特征在于：还包括用于避障的红外线传感器模块组件；该红外线传感器模块组件包括设置在双轮平衡车的前后左右的四个红外传感器和四个红外线接收器；所述的四个红外传感器和四个红外线接收器均与MCU模块电连接。
本发明的有益效果是：本发明利用超声波传感器与无线电传感器实现将双轮自主平衡车与对车主实时跟随有效的进行结合，使原本就十分的吸引人的双轮平衡车更加有趣而实用，大大降低了应用成本，有着极高的实用商业价值。可以实现双轮平衡车在自身保持平衡的同时，对特定目标进行实时的定位跟随同时具有躲避障碍的能力。
附图说明
图1为手持智能端的工作流程图。
图2为信号接收组件工作流程图。
图3为信号接收组件布置示意图。
图4为空间距离与平面距离对比图。
图5为水平距离转化图。
图6为双轮平衡车的硬件方框图。
图7为手持智能端硬件方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1～3，所述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，包括MCU模块、设置在双轮平衡车上的信号接收组件以及设置在手持智能端上的信号发射组件，其特征在于，手持智能端上的信号发射组件通过固定频率向信号接收组件发送信号，MCU模块根据信号接收组件接收信号的先后顺序，确定双轮平衡车距离手持智能端的距离，从而通过MCU模块发送控制指令驱动双轮平衡车跟随手持智能端移动。
本发明包括信号接收组件和信号发射组件。信号接收组件除了搭载常规的双轮平衡车所用器件以外，还搭载了4个超声波模块、4个无线电接收模块，如图1所示，4个超声波模块、4个无线电接收模块呈正方形分布于双轮平衡车的前后左右四个方向。手持智能端由一个无线电发射模块和超声波发射模块组成，具有定时发送无线电信号和超声波的功能。
当双轮平衡车处于无人空载平衡状态时，手持智能端的信号发射组件按照一定频率发送无线电信号和超声波至双轮平衡车上的信号接收组件，双信号接收组件接收到无线电信号后，同时开启与四个超声波接受模块连接的MCU模块上的定时器进行计时，此处的无线电信号的作用为同步超声波发射与接收模块的时间，因为无线电信号传播速度略小于光速但远远大于超声波的传播速度，此处可以忽略无线电信号的传播时间不计。超声波接收模块的输出连接到MCU(Microcontroller Unit微控制单元)的GPIO(General-purposeinput/output通用型之输入输出口)触发外部中断,每个外部中断具有相同的抢占优先级，超声波接收模块收到信号后触发中断后关闭定时器，读取定时器的数据。通过读取定时器的数据和超声波的传播速度，可以算出双轮平衡车上每个超声波接收模块与手持智能端的距离大小。
如图4，根据读取的各个定时器的时间t(s)以及超声波的传播速度v(m/s),由公式S＝v*t可以求出每个超声波传感器到手持智能端的距离的大小S1'、S2'、S3'、S4'。由于双轮平衡车和手持智能端是在三维空间里，所以其测出了的距离的大小也是立体空间中的距离，将其转移到同一平面如图所示：其中L为手持智能距地面的高度，根据分析可知L相对于每一个超声波模块的高度是不变的，从图4中可以看出在空间中的距离和投影在平面的距离是成正相关的，因此在进行跟随定位判别时可以直接用S1'、S2'、S3'、S4'的大小来代替S1、S2、S3、S4对要识别的手持智能端的所在方位进行定性的判断分析。
根据超声波模块在双轮平衡车上的空间位置分布特征可知，每个超声波模块都对应一个不同的方向。通过计算各个方向的超声波接收模块的接收时长，运用对手持智能端的位置判定算法判断其在双轮平衡车的方位，进而控制双轮平衡车的左右两个电机的转向使其向手持智能的方向靠近。由于超声波、无线电信号的发送接收时间、程序处理时间很短，从而可以实现达到对特定目标-手持智能端的实时定位跟随功能。
根据四个超声波模块的时间计算其距离的远近大小，结合其空间位置的分布特点先分别比较前后与左右两个组的距离的大小，由图3可知S2'<S3'、S4'<S1'，然后在比较S4'与S2'的大小知S2'<S4'。通过比较四个超声波模块与手持智能端的距离大小可以得出所要跟随的目标位于双轮平衡车的右前方，根据S2'<S4'控制双轮平衡车向前行进逼近跟随目标，再进行下一个周期的目标跟随程序。取R＝S2'*cosα；其中，α如图5所示为离手持智能端到最近超声波模块的连线与水平地平线的夹角，α作为双轮平衡车到手持智能端的近似水平距离用于判断双轮平衡车与人的距离的大小。
双轮平衡车除了搭载上述的相关传感器模块功能外，双轮平衡车本体还使用红外线传感器模块进行避障。红外传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号，如一个低电平信号。当红外线传感器模块检测到前进方向有障碍物时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续得输出低电平信号,送给单片机的GPIO(General-purposeinput/output通用型之输入输出口)口查询使用。在双轮平衡车的前后左右安装红外传感器，可以实现双轮平衡车在对目标进行跟随时的避障功能。
如图2，本发明在使用中，还可以限定R0为设定的双轮平衡车跟随的最小距离，当双轮平衡车与手持智能端的距离小于此距离时双轮平衡车会自动扩大它们之间的距离；R1为设定的双轮平衡车跟随的最大距离，当双轮平衡车与手持智能端的距离大于此距离时双轮平衡车会自动缩短它们之间的距离
其中，R0、R1均可以根据实际情况设定。
需要明确的是：信号接收组件与信号接收组件可以根据需要封装在一起。
需要明确的是：如图6～7为本发明的硬件设计图。
需要明确的是：为了使用方便，MCU模块可以设置双轮平衡车上也可以利用双轮平衡车上的控制芯片。
需要明确的是：手持智能端也需要设置CPU模块进行周期性的发送信号，同MCU一样会根据硬件资源合理分配其引脚，因为手持智能端的功能比较简单使用一个最小系统的简单电路就能满足其功能要求。
本发明使用简单常见的无线电和超声波模块，利用超声波与无线电信号的传播特性与双轮平衡车相结合，通过无线电信号的发送接收实现手持智能端和双轮平衡车本体的时间同步，利用超声波的传播特性判断距离的大小实现对特定目标方位判断，从而实现对手持智能端的实时跟随功能。本专利中的跟随方法实现的硬件结构简单，造价成本低廉具有很高的商业价值，还适用于其他场景的对特定目标的跟随需求如：商场购物车等，且具有很好的实时跟随效果。
本专利中的实现超声波收发模块时间同步的无线电接收和发射模块，可以使用红外线传输模块进行代替，同样可以达到同步手持智能端和双轮平衡车本体时间的目的再利用超声波的传播特性实现对特定目标的跟随功能。其他实现跟随功能有利用WIFI信号的强弱，还可以使用多个蓝牙模块利用蓝牙信号进行定位跟随的等等。除此之外还可以利用视觉的图像识别功能实现对目标的识别跟随功能，不过相对来说实施起来技术难度较大而且成本会很高，不适用大面积向市场推广商业化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双轮平衡车的自动跟随方法，包括MCU模块、设置在双轮平衡车上的信号接收组件以及设置在手持智能端上的信号发射组件，其特征在于，手持智能端上的信号发射组件通过固定频率向信号接收组件发送信号，MCU模块根据信号接收组件接收信号的先后顺序，确定双轮平衡车距离手持智能端的距离，从而通过MCU模块发送控制指令驱动双轮平衡车跟随手持智能端移动。
2.根据权利要求1所述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，其特征在于：信号发射组件包括一个无线电发射端和一个超声波发射端；接收组件包括设置在双轮平衡车前、后、左、右四个位置的四个无线电发射端和四个超声波发射端；
其中，无线电发射端和超声波发射端同时发出无线电信号和超声波信号，位于双轮平衡车上的四个无线电发射端先收到无线电信号，然后MCU模块中的计时器开始计时；四个超声波发射端先后接收到超声波信号；MCU模块记录每个超声波发射端接收到超声波信号的时长，运用对手持智能端的位置判定方法判断其在双轮平衡车的方位，进而MCU模块控制双轮平衡车的左右两个电机的转向使其向手持智能的方向靠近。
3.根据权利要求2所述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，其特征在于：手持智能端相对双轮平衡车的位置判断方法是：MCU模块读取的各个定时器的时间t以及超声波的传播速度v，由公式S＝v*t可以求出前、后、左、右四个位置的四个超声波发射端到手持智能端的距离为：S2'、S3'、S1'、S4'；然后，分别比较前后与左右两个组的距离的大小，S2'大于或者小于S3'时，表示需要跟随的手持智能端位于双轮平衡车的前或后；S4'大于或小于S1'时，表示需要跟随的手持智能端位于双轮平衡车的右或左。
4.根据权利要求3所述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，其特征在于：手持智能端相对双轮平衡车之间设置由最小距离阈值R；R＝Sn'*cosα；其中，Sn'为S2'、S3'、S1'、S4'中数值最小的一个；α离手持智能端到最近超声波模块的连线与水平地平线的夹角。
5.根据权利要求1所述的一种双轮平衡车的自动跟随方法，其特征在于：还包括用于避障的红外线传感器模块组件；该红外线传感器模块组件包括设置在双轮平衡车的前后左右的四个红外传感器和四个红外线接收器；所述的四个红外传感器和四个红外线接收器均与MCU模块电连接。
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