CN114291193B - 一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统，包括两路滑动机构，分别设于两轮平衡车的左踏板及右踏板的下方空间，其中每一路滑动机构均设有导轨以及滑块，滑块的底部固定有电机，导轨的旁侧铺设有传送带，电机的输出轴具有齿轮与传送带齿接配合从而带动滑块沿导轨前后滑动实现模拟脚踏，控制系统MCU获取用户语音信息转化控制指令，并发出脉冲来控制两路滑动机构中的电机同步正转、反转或者控制两路电机的转动圈数不同。本发明能够在老一代两轮平衡车的基础上，根据用户的语音信息控制老一代两轮平衡车实施运动行为。

Description

一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统

技术领域

本发明涉及平衡车控制技术领域，尤其涉及一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，移动机器人的研究在科学研究中的地位越来越重要，其应用范围也越来越广泛。在机器人的研究领域之中，两轮平衡机器人是一种经典的研究类型，在电子、计算机和机械制造等领域也有了一定的发展。与此同时，两轮小车作为移动机器人中一种特殊的形式，其所占空间小且运动灵活多变，受到了广大年轻消费者的追捧，在日常生活中更成为了一种新型便捷的代步工具。

目前对于新一代的两轮平衡车，一般集成有语音控制功能，可以获取用户的语音信息进行转化控制指令，实现两轮平衡车在非人为干预的情况下的实时控制，从而用于无法或无需进行人为操作的特殊场合，自主完成运动任务。对于老一代的两轮平衡车，由于此前无配置相应功能，因此无法实现，同时因厂家为实现市场控制将芯片完全封死而没有预留接口，外界也无法在此基础上通过补增语音识别以及相应传感器的形式进行改装升级，致使老一代两轮平衡车停留在原有设计水平，而有需求的用户被迫舍弃老一代两轮平衡车而购买新一代，造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统，用于在老一代两轮平衡车的基础上，根据用户的语音信息控制老一代两轮平衡车实施相应运动行为。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统，包括额外加装于两轮平衡车内腔的以下各部件：

控制系统MCU，设于两轮平衡车的底盘；

语音识别模块，用于与所述控制系统MCU通讯连接；

两路滑动机构，分别设于两轮平衡车的左踏板及右踏板的下方空间，其中每一路滑动机构均设有一滑动方向与所述踏板前后翘动方向一致的导轨以及套设于所述导轨的滑块，所述滑块的底部固定有可正反转的电机，所述导轨的旁侧铺设有与导轨平行的传送带，所述电机的输出轴具有齿轮与所述传送带齿接配合从而带动所述滑块沿导轨前后滑动实现模拟脚踏，所述控制系统MCU经由电机驱动模块控制所述电机进行正转或反转；

还包括计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该程序被所述控制系统 MCU执行实现以下控制方法，包括：

获取用户的语音信息进行转化控制指令；

所述控制系统MCU根据所述控制指令，发出脉冲来控制两路滑动机构中的电机同步进行转动圈数相同的正转以驱动两轮平衡车进行向前直行运动，

或者控制两路滑动机构中的电机同步进行转动圈数相同的反转以驱动两轮平衡车进行向后直行运动，

或者控制两路滑动机构中的电机的转动圈数不同以驱动轮平衡车进行侧向转弯运动。

进一步的，所述电机采用2.3N·M的57步进电机。

进一步的，每一路滑动机构当中的所述导轨具有两个，两个导轨呈左右布置相互平行，每个导轨均套设一所述滑块，两个滑块同步滑动，每一路滑动机构还包括有两块与导轨垂直设置的装配板，其中一装配板固定于两个滑块的同向端口，另一装配板与两个滑块的另一端口，所述步进电机的外壳两侧壁被两块所述装配板夹持并固定，且所述装配板的长度与步进电机的外壳侧壁的长度相当。

进一步的，每一路滑动机构还包括一U形支架，滑动机构中的导轨、滑块、电机以及传送带均设于U形支架的内部空间中，所述滑动机构通过U形支架整体装配在两轮平衡车内腔中。

进一步的，所述U形支架底部设有柱脚来将所述滑块撑起至离所述底盘设定的高度。

进一步的，所述柱脚具有两个，两个柱脚以所述踏板的转轴为对称轴对称设置。

进一步的，每一路滑动机构中还包括有两个张紧轮，所述传送带为一环形带并环套设于两个张紧轮上，两个所述张紧轮之间的距离可调从而调整所述传输带行进的摩擦力度。

进一步的，所述控制系统MCU、语音识别模块设于两轮平衡车的底盘的中间，两路滑动机构以控制系统MCU、语音识别模块为中心对称分布。

进一步的，所述控制系统MCU根据所述控制指令发出脉冲后进行滑块是否运动的检测，如果没有运动，则持续发送脉冲信号直到滑块运动。

相比于相有技术，本发明具有如下有益效果：

1、整体的控制机构简单，所需传感器安装便捷且易于处理数据，可将其应用于老一代两轮平衡车进行加装升级，具有较强的可操作性。

2、使用双导轨及滑块置于平衡车上，给予了平衡车合适的重量保证其稳定性。

3、使用滑块前后移动来控制平衡车，有效模拟了人的脚掌前后倾的控制形式。

4、使用语音传感器接收用户语音，降低了用户的控制难度，同时使得用户可以不接触平衡车进行操控。

附图说明

图1是本发明中各功能模块机械结构示意图。

图2是本发明的具体应用场景控制方式的示意图。

图3是本发明控制系统的电路框图。

图4是本发明的控制过程流程图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

见图1至图4，本实施例的双滑块12行走辅助控制机构，包括控制系统MCU、平衡车底盘、语音识别模块、两路滑动机构1。

其中平衡车底盘即常规平衡车的最下层运动机构，对其底部的两个车轮的控制进而能够保持直立平衡，即底盘自身具有维持平衡的功能。

本实施例中，控制系统MCU使用STC89C51，语音识别模块使用LD3320，两者之间通过I/O通讯连接，并设于两轮平衡车的底盘的中间位置避免影响两轮平衡车底盘的平衡能力。

本实施例中，两路滑动机构1分别设于常规两轮平衡车的左踏板及右踏板的下方空间，其中两路滑动机结构相同，此处仅对其中一处进行阐述，如图1所示，其中每一路滑动机构1均设有一滑动方向与踏板前后翘动方向一致的导轨 11以及套设于导轨11的滑块12，滑块12的底部固定有可正反转的电机13，由电机13的输出转子控制双滑块12的运动，同时电机13整体跟随滑块12同步运动。导轨11的旁侧铺设有与导轨11平行的传送带14，电机13的输出轴具有齿轮131与传送带14齿接配合从而带动滑块12沿导轨11前后滑动实现模拟脚踏，控制系统MCU经由电机驱动模块控制电机13进行正转或反转。

上述中，电机13采用2.3N·M的57步进电机13以达到滑动位置的精准控制，同步的，电机13驱动器模块使用TB6600升级版驱动控制器进行适配驱动。本实施例的控制系统MCU通过信号线与电机驱动模块、语音识别模块相连接，用于收发和处理数据并对各模块进行控制。电机驱动模块，用于接收控制系统MCU 信息，驱动两个电机13运转的速度以及方向。语音识别模块置于控制系统MCU 上方，用于接受用户语音指令并进行初步处理后通过I/O串口发送给单片机。

如图2所示为具体应用示意图，如图4所示为控制过程流程图。在应用场景示意图中，具体控制平衡车过程为：系统在上电运行后会进行系统调试，主要是单片机的初始化，初始化包括所用到单片机模块的初始化和应用程序的初始化。初始化完成后，在保证小车处于直立平衡的环境下进行运动程序的检测和控制。此时语音识别模块处于实时监测状态，当平衡车附近有人发出语音控制指令，语音识别模块即可接收并识别指令，若指令正确则立即对指令进行初步处理转化为控制数据信息，然后将信息发送至控制系统MCU；MCU接收到控制信息后，通过内部程序使得单片机引脚输出控制电平到步进电机13驱动器，驱动器进而驱动两个电机13按照设定的方向转动；电机13的转动带动两个滑块12 前后移动，模拟人类脚掌的前后倾使得平衡车可以按要求运动。

在平衡车行进过程中，平衡车的平衡由底盘自主维持控制，而两轮平衡车的直立、前进、后退和转弯等运动由双滑块12系统控制。

单片机针对控制目标作成程序控制，包括三种情况：

第一种为直行前进：此时单片机在两轮平衡车可以保持平衡的条件下，发出脉冲让驱动器产生电机13正转信号，并且两个电机13的转动圈数相同，即通过同步控制两个滑块12的前后位移可以对小车的倾角进行调节，使得滑块12 产生相同的前向位移，整个控制机构的重心向前移动，自平衡车即向前直行运动。

第二种为直行后退：此时单片机发出脉冲让驱动器产生电机13反转信号，控制过程与第一种相反，自平衡车即向后直行运动。

第三种为转弯运动：此时单片机发出脉冲让驱动器产生两路不同的运动信号，使得两个电机13的转动圈数不同，即让两个滑块12的前后位移幅度的不同，使得平衡车左右两侧倾角不一致，继而平衡车系统内的两个车轮之间的转速不同，整个控制机构的重心往侧向倾斜，自平衡车即侧向转弯运动。

以上三种情况都需要程序设定并发送相应的脉冲信号，驱动器接收信号后对电机13做出相应的驱动，随后电机13带动滑块12前后移动来改变控制机构的重心，以此完成指定动作。在此过程中，会进行滑块12是否运动的检测，如果没有运动，程序将会持续发送脉冲信号，直到滑块12运动。

作为进一步改进方案，在电机13采用2.3N·M的57步进电机13达到精准控制的基础上，考虑到57步进电机13底重头轻的特点，为避免单点固定时57 步进电机13头部略微上翘导致与传送带14的配合失常，本实施例在每一路滑动机构1当中的导轨11设置为两个，其中两个导轨11呈左右布置相互平行，每个导轨11均套设一滑块12，两个滑块12同步滑动。并且，在每一路滑动机构1还设置两块与导轨11垂直设置的装配板15，其中一装配板15固定于两个滑块12的同向端口，另一装配板15与两个滑块12的另一端口，步进电机13 的外壳两侧壁被两块装配板15夹持并固定，且装配板15的长度与步进电机13 的外壳侧壁的长度相当。通过双导轨11进行两点固定，并配合长度相当的装配板15进行两侧夹持固定，能够确保电机13运动过程中整体的水平，输出齿轮 131与传送带14的良好接触，为精度控制提供良好基础条件。

上述方案应用于传送带14为固定不动的基础上，此时系统控制精度依靠于2.3N· M的57步进电机13的本身输出精度，且最小滑动距离为传送带14上两齿牙之间的间距。为进一步细化最小滑动距离，可以设置传送带14本身具有可滑动属性，如见图1，在每一路滑动机构1中设置两个张紧轮16，并选用传送带14为一环形带，将环形带环套设于两个张紧轮16上，这种结构中，传送带 14本身可以进行转动前行。此时，可以基于滑块12与导轨11之间的摩擦系数，以及电机13的输出驱动力，通过螺栓161适当调节两个张紧轮16之间的距离，从而调整传输带行进的摩擦力度，实现在三个力(滑块12与导轨11之间的摩擦力、电机13驱动力、传送带14前进的摩擦力)的作用配合下，将一次滑动的最小滑动距离缩短至传送带14上两齿牙之间的间距之下，实现最小滑动距离的细粒化，从而达到控制精度的提升，并近乎满足无极调控。

作为另一种改进方案，为方便加装，设置每一路滑动机构1还包括一U形支架17，滑动机构1中的导轨11、滑块12、电机13以及传送带14均设于U形支架17的内部空间中，此时，当要加装优化平衡车是，只需将滑动机构1整体通过U形支架17整体装配在两轮平衡车内腔中即可，实现装配快捷。

由于方案整体是模拟脚踏，而平衡车的踏板是以中部转轴为轴心前后翘从而控制前进/后退及其速度，利用这个特性，本实施例在U形支架17底部设有柱脚18来将滑块12撑起至离底盘设定高度，此种方案较之于滑块12近乎贴附于轴心(离轴心很近)的方案，在相同的滑动距离下，可以产生更多的重量势能驱动踏板翘动，实现以小控大，达到良好的模拟效果。

本实施例中，柱脚18具有两个，两个柱脚18以踏板的转轴为对称轴对称设置，两路滑动机构1以控制系统MCU、语音识别模块为中心对称分布，实现初始状态下的平衡条件。

以上实施例仅用于对本发明技术方案的说明，并不能作为对本发明结构的限制。通过本实施例，普通技术人员可以通过简单的修改或等同替换也可以得到同等使用效果的技术方式，都应视落入本发明技术的权利保护范围。

Claims (9)

1.一种基于两轮平衡车的双滑块控制系统，其特征在于，包括额外加装于两轮平衡车内腔的以下各部件：

控制系统MCU，设于两轮平衡车的底盘；

语音识别模块，用于与所述控制系统MCU通讯连接；

两路滑动机构，分别设于两轮平衡车的左踏板及右踏板的下方空间，其中每一路滑动机构均设有一滑动方向与所述踏板前后翘动方向一致的导轨以及套设于所述导轨的滑块，所述滑块的底部固定有可正反转的电机，所述导轨的旁侧铺设有与导轨平行的传送带，所述电机的输出轴具有齿轮与所述传送带齿接配合从而带动所述滑块沿导轨前后滑动实现模拟脚踏，所述控制系统MCU经由电机驱动模块控制所述电机进行正转或反转；

还包括计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该程序被所述控制系统MCU执行实现以下控制方法，包括：

获取用户的语音信息并进行控制指令的转化；

所述控制系统MCU根据所述控制指令，发出脉冲来控制两路滑动机构中的电机同步进行转动圈数相同的正转以驱动两轮平衡车进行向前直行运动，

或者控制两路滑动机构中的电机同步进行转动圈数相同的反转以驱动两轮平衡车进行向后直行运动，

或者控制两路滑动机构中的电机的转动圈数不同以驱动轮平衡车进行侧向转弯运动。

2.根据权利要求1所述的双滑块控制系统，其特征在于：所述电机采用2.3N·M的57步进电机。

3.根据权利要求2所述的双滑块控制系统，其特征在于：每一路滑动机构当中的所述导轨具有两个，两个导轨呈左右布置相互平行，每个导轨均套设一所述滑块，两个滑块同步滑动，每一路滑动机构还包括有两块与导轨垂直设置的装配板，其中一装配板固定于两个滑块的同向端口，另一装配板与两个滑块的另一端口，所述步进电机的外壳两侧壁被两块所述装配板夹持并固定，且所述装配板的长度与步进电机的外壳侧壁的长度相当。

4.根据权利要求1所述的双滑块控制系统，其特征在于：每一路滑动机构还包括一U形支架，滑动机构中的导轨、滑块、电机以及传送带均设于U形支架的内部空间中，所述滑动机构通过U形支架整体装配在两轮平衡车内腔中。

5.根据权利要求4所述的双滑块控制系统，其特征在于：所述U形支架底部设有柱脚来将所述滑块撑起至离所述底盘设定的高度。

6.根据权利要求5所述的双滑块控制系统，其特征在于：所述柱脚具有两个，两个柱脚以所述踏板的转轴为对称轴对称设置。

7.根据权利要求1所述的双滑块控制系统，其特征在于：每一路滑动机构中还包括有两个张紧轮，所述传送带为一环形带并环套设于两个张紧轮上，两个所述张紧轮之间的距离可调从而调整所述传送带行进的摩擦力度。

8.根据权利要求1所述的双滑块控制系统，其特征在于：所述控制系统MCU、语音识别模块设于两轮平衡车的底盘的中间，两路滑动机构以控制系统MCU、语音识别模块为中心对称分布。

9.根据权利要求4所述的双滑块控制系统，其特征在于：所述控制系统MCU根据所述控制指令发出脉冲后进行滑块是否运动的检测，如果没有运动，则持续发送脉冲信号直到滑块运动。

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