CN207718226U - 一种两轮自平衡小车自动跟随系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种两轮自平衡小车自动跟随系统，包括主控装置、小车姿态获取装置和电机驱动装置，所述两轮自平衡小车自动跟随系统还包括视频获取装置，所述视频获取装置包括Pixy CMUcam5视觉传感器，所述Pixy CMUcam5视觉传感器与主控装置连接，所述主控装置与小车姿态获取装置、电机驱动装置连接。本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统，平衡控制是利用带码盘的电机实现直立环和速度环，通过PID参数调整实现两轮自平衡小车控制，并提高小车自平衡控制的抗干扰性，能够根据视频获取的前方物体距离，实现自主追踪。

Description

一种两轮自平衡小车自动跟随系统

技术领域

本实用新型涉及两轮自平衡小车控制算法和视觉追踪技术领域，具体涉及一种两轮自平衡小车自动跟随系统。

背景技术

平衡车是由左右两个车轮和车体组成的多变量、强耦合、高度不稳定、非线性的控制系统，也是检测各种控制算法优劣的经典控制理论模型。

中国文献“黄亚新,耿安坤,陈楼,等. 两轮自平衡小车的 PID 控制[J]. 电子世界,2013,18:81，136.”采用经典PID算法实现了两轮小车的平衡控制。经典PID算法简单，不要求精确的系统模型。

中国文献“陆军. 基于PID和LQR控制的两轮自平衡小车研究[D].西安: 西南交通大学,2012,6.”。LQR算法是现代控制理论的典型代表，要求对系统建立精确模型。

中国文献“李洋. 基于LQR算法两轮自平衡小车的系统设计与研究[D].太原：太原理工大学,2011.”通过仿真实验表明，LQR比PID算法具有更好的控制效果和范围。

中国文献“卢秀和,李海铭,薛鹏 等. 两轮自平衡小车姿态平衡控制系统的研究[J]. 数字技术与应用,2013(2):10-11,13.”也采用LQR线性二次型最优控制，结合系统建模实现了两轮自平衡较好的平衡姿态控制，并在仿真中得到验证。

中国文献“茹斐斐. 双闭环控制方法在两轮自平衡小车中的应用研究[D].河南大学,2013.”提出一种双闭环的控制算法，内环采用根轨迹控制方法控制小车角度，外环采用模糊控制方法，把小车位置和速度作为输入量。

中国文献“李天利，周东辉，陈远思,王马林. 基于自校正 PID 控制的两轮自平衡小车[J]. 自动化应用,2015(02):71-73.”则提出一种自校正的PID算法控制方案，利用其自适应特性对两轮小车进行姿态平衡控制，能使小车具有较好的快速性和稳定性。

中国文献“陈波,傅攀,陆军. 基于PID神经网络的两轮自平衡小车研究[J]. 机械工程与自动化,2014,12(06):154-156.”利用PID神经网络对两轮自平衡小车的系统辨识，并利用辨识结果对小车控制器参数进行调整，优化了控制器参数，改善了两轮小车的平衡性能。

两轮自平衡小车具有强耦合性、非线性和不稳定性，难以建立精确的数学模型，中国文献“黄彦海. 模糊控制研究及其在两轮自平衡小车中的应用[D].河南：河南大学,2014.”设计了单一输入规则群（SIRMs）动态加权模糊控制器，对小车进行控制，也取得了较好的控制效果。

中国文献“杨凌霄，李晓阳. 基于GA的两轮自平衡小车LQR最优控制器设计[J].河南理工大学学报(自然科学版),2015,34(1):85-90.”针对LQR最优控制器权重矩阵确定困难以及由此导致的响应速度慢等问题，提出一种通过遗传算法实现LQR控制器参数寻优的方法，相对于传统的极点配置和LQR方法具有更好的控制效果，响应速度更快，超调更小。

中国文献“丁凤. 一种新型两轮自平衡小车的建模与控制[D].武汉：华中科技大学,2012.”设计滑模控制器除对小车进行较好的平衡控制外，还实现小车在直线运动和拐弯运动的速度控制，并采用离线遗传算法获取刹车过程滑模控制器的最优参数，通过三级滑模切换控制实现小车的最优刹车。

实用新型内容

鉴于两轮自平衡小车在现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种两轮自平衡小车自动跟随系统，该系统具有视频获取装置，平衡控制利用带码盘的电机实现直立环和速度环，通过PID参数调整实现两轮自平衡小车控制，并提高小车自平衡控制的抗干扰性，能够根据视频获取的前方物体距离，实现自主追踪。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种两轮自平衡小车自动跟随系统，包括主控装置、小车姿态获取装置和电机驱动装置，还包括视频获取装置，所述视频获取装置包括视觉传感器，所述视觉传感器与主控装置连接，所述主控装置与小车姿态获取装置、电机驱动装置连接。

优选的是，所述两轮自平衡小车自动跟随系统还包括电源装置。

在上述任一技术方案中优选的是，所述电源装置通过稳压模块连接主控装置、电机驱动装置，为主控装置、电机驱动装置供电。

在上述任一技术方案中优选的是，所述主控装置包括arduino UNO R3主控板。

在上述任一技术方案中优选的是，所述小车姿态获取装置包括传感器模块，所述传感器模块采用MPU6050型6轴传感器模块。

在上述任一技术方案中优选的是，所述MPU6050型6轴传感器模块内部集成了卡尔曼滤波和姿态结算技术芯片，对两轮自平衡小车的三轴加速度、三轴角速度进行测量并通过串口直接读取三轴角度。

在上述任一技术方案中优选的是，所述电机驱动装置包括两个直流电机、直流电机驱动电路和电机驱动器，所述两个直流电机与直流电机驱动电路、电机驱动器及两轮自平衡小车车轮连接。

在上述任一技术方案中优选的是，所述电机驱动装置采用电机驱动器同时驱动两个直流电机，通过两个直流电机驱动车轮运动。

在上述任一技术方案中优选的是，所述电机驱动器采用L298P型电机驱动器；所述L298P型电机驱动器为两路H桥驱动芯片，同时驱动两个直流电机，输出电流达2.5A。

在上述任一技术方案中优选的是，所述L298P型电机驱动器的输出引脚IN1、IN2分别连接arduino UNO R3主控板的8、9引脚，所述L298P型电机驱动器的端口EN1连接arduinoUNO R3主控板的10引脚；当EN1为高时，从IN1和IN2输入的PWM信号驱动一个直流电机的转速和方向。

在上述任一技术方案中优选的是，所述L298P型电机驱动器的输出引脚IN3、IN4分别连接arduino UNO R3主控板的6、7引脚，所述L298P型电机驱动器的端口EN2连接arduinoUNO R3主控板的11引脚，当EN2为高时，从IN3和IN4输入的PWM信号驱动另一个直流电机的转速和方向。

在上述任一技术方案中优选的是，所述视觉传感器采用Pixy CMUcam5视觉传感器；所述Pixy CMUcam5视觉传感器识别并获取两轮自平衡小车前方目标的颜色、位置及大小等信息，采用视觉追踪算法和PID控制调节算法，实现小车的自主追踪和平衡控制。

在上述任一技术方案中优选的是，所述主控装置的接口通过设置与调试模块连接上位机。

本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统，主控装置、小车姿态获取装置、电机驱动装置、视频获取装置和电源装置，视频获取装置包括Pixy CMUcam5视觉传感器，主控装置包括arduino UNO R3主控板，Pixy CMUcam5视觉传感器与arduino UNO R3主控板连接，arduino UNO R3主控板与小车姿态获取装置、电机驱动装置连接，电源装置通过稳压模块为主控装置、电机驱动装置供电，arduino UNO R3主控板通过设置与调试模块连接上位机。具有视觉追踪能力的两轮自平衡小车是在自平衡小车基础上加入视觉追踪模块和算法，实现平衡车对前方目标的追踪。自平衡小车本身就是一个不稳定、参数实时变化、不能自主保持的运动系统，要实现自平衡，主要在于平衡控制算法的设计与实现。尤其在追踪过程中的加速和减速相当于在平衡控制中加入了人为干扰，其控制难度也相对增加。采用本实用新型的技术方案，自平衡小车通过视觉传感器识别并获取前方目标的颜色、位置及大小等信息，采用视觉追踪算法和PID控制调节算法，实现小车的自主追踪和平衡控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为按照本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统的系统结构的一优选实施例的示意图；

图2为按照本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统的系统原理的一优选实施例的框架图；

图3为按照本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统的系统控制的一优选实施例的框架图；

图4为按照本实用新型的两轮自平衡小车自动跟随系统的视觉追踪流程的一优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型实施例提出一种两轮自平衡小车自动跟随系统，她包括主控装置、小车姿态获取装置、电机驱动装置、视频获取装置和电源装置；视频获取装置包括视觉传感器；视觉传感器与主控装置连接；主控装置与小车姿态获取装置、电机驱动装置连接；电源装置通过稳压模块连接主控装置、电机驱动装置，为主控装置、电机驱动装置供电；主控装置的接口通过设置与调试模块连接上位机。

具有视觉追踪能力的两轮自平衡小车是在自平衡小车基础上加入视觉追踪模块和算法，实现平衡车对前方目标的追踪。自平衡小车本身就是一个不稳定、参数实时变化、不能自主保持的运动系统，要实现自平衡，主要在于平衡控制算法的设计与实现。尤其在追踪过程中的加速和减速相当于在平衡控制中加入了人为干扰，其控制难度也相对增加。采用本实用新型的技术方案，自平衡小车通过视觉传感器识别并获取前方目标的颜色、位置及大小等信息，采用视觉追踪算法和PID控制调节算法，实现小车的自主追踪和平衡控制。

实施例2

在实施例1的基础上，两轮自平衡小车自动跟随系统的主控装置采用arduino UNOR3主控板，小车姿态获取装置具有传感器模块，电机驱动装置具有两个直流电机、直流电机驱动电路和电机驱动器，视觉传感器采用Pixy CMUcam5视觉传感器。

以下结合图1进行具体说明。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，主控装置采用arduino UNO R3主控板。Arduino不仅仅是一款单片机，它是一个开放源码的电子原型平台，拥有灵活易用的软件封装库和硬件模块，被广大DIY爱好者所喜爱。arduino UNO R3主控板可以进行的算法包括小车直立、小车运行、自主追踪、调试与设置。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，arduino UNO R3主控板通过I/O和SCL连接设置与调试模块，设置与调试模块通过蓝牙连接上位机，调试上位机。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，Pixy CMUcam5视觉传感器通过SPI连接arduino UNO R3主控板。Pixy CMUcam5视觉传感器识别并获取两轮自平衡小车前方目标的颜色、位置及大小等信息，采用视觉追踪算法和PID控制调节算法，实现小车的自主追踪和平衡控制。在追踪过程中的加速和减速相当于在平衡控制中加入了人为干扰，其控制难度也相对增加。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，传感器模块采用MPU6050型6轴传感器模块。InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器模块MPU6050，包括三轴加速度，三轴角速度，该模块内部集成了卡尔曼滤波和姿态结算技术，并可通过串口直接读取三轴角度。角度输出精度达到0.01度，运动情况下角度输出精度在0.05度左右，完全满足做平衡车和六轴飞行器等产品的要求。MPU6050的陀螺仪加速度计通过SDA/SCL连接arduino UNO R3主控板，其速度检测模块通过TX/RX连接arduino UNO R3主控板。速度检测模块还与两个直流电机相连接。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，两个直流电机与直流电机驱动电路、电机驱动器及两轮自平衡小车车轮连接。电机驱动装置采用电机驱动器同时驱动两个直流电机，通过两个直流电机驱动车轮运动。电机驱动器采用L298P型电机驱动器。直流电机的驱动电路设计关系到整个系统的稳定性，因为电机反转时会产生反向电动势会干扰到电源系统内其他设备的运行。L298P型电机驱动器为两路H桥驱动芯片，同时驱动两个直流电机，输出电流达2.5A。L298P型电机驱动器的输出引脚IN1、IN2分别连接arduino UNO R3主控板的8、9引脚，L298P型电机驱动器的端口EN1连接arduino UNO R3主控板的10引脚；当EN1为高时，从IN1和IN2输入的PWM信号驱动一个直流电机的转速和方向。L298P型电机驱动器的输出引脚IN3、IN4分别连接arduino UNO R3主控板的6、7引脚，L298P型电机驱动器的端口EN2连接arduino UNO R3主控板的11引脚，当EN2为高时，从IN3和IN4输入的PWM信号驱动另一个直流电机的转速和方向。

如图1所示，电机驱动器可以置换为TB6612。两个直流电机可以左右配置为左电机和右电机，左电机和右电机分别连接电机驱动器，左电机和右电机还分别连接速度检测模块。

如图1所示，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，电源装置通过稳压模块分别连接arduino UNO R3主控板和电机驱动器，为arduino UNO R3主控板提供5V电压，为电机驱动器提供12V电压。稳压模块起到稳压滤波作用。

除上述的硬件结构部分外，本实施例所述的两轮自平衡小车自动跟随系统还包括电机驱动模块、姿态获取模块、PID控制模块和视觉追踪模块等系统软件部分。

以下结合图2至图4进行说明。

平衡控制利用带码盘的电机实现直立环和速度环，通过PID参数调整实现两轮自平衡小车控制，并提高小车自平衡控制的抗干扰性，能够根据视频获取的前方物体距离，实现自主追踪。系统软件部分的主体框架，即视觉追踪两轮自平衡小车软件程序流程如图2所示。

其中，PID算法是小车自平衡控制的关键，陀螺仪获取姿态信息后，根据当前倾斜角度和角速度，作为PID控制器的输入，输出PWM波占空比控制直流电机转速变化，从而实现小车平衡控制，并根据检测到所追踪物体的距离进行实时跟踪。视觉追踪两轮自平衡小车PID控制过程如图3所示。

小车自主追踪能力主要依靠视觉传感器采集目标物体的位置及大小信息，然后判断并作出回应。小车的前进控制，随着物体的面积减小（距离加大），控制小车前进并追踪，当物体面积达到设定值（物体距小车距离最小值），小车停止；小车转向控制，若物体偏离视觉模块中心位置，偏左小车则左转，反之右转。小车追踪控制参数通过其调试软件（PixyMon），将物体置于传感器中心位置，获取该位置的面积大小及中心位置值。视觉追踪传感器数据获取程序流程如图4所示。

以上所述仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非是对本实用新型的范围进行限定；以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围；在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种两轮自平衡小车自动跟随系统，包括主控装置、小车姿态获取装置和电机驱动装置，其特征在于：所述两轮自平衡小车自动跟随系统还包括视频获取装置，所述视频获取装置包括视觉传感器，所述视觉传感器与主控装置连接，所述主控装置与小车姿态获取装置、电机驱动装置连接。

2.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述两轮自平衡小车自动跟随系统还包括电源装置。

3.如权利要求2所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述电源装置通过稳压模块连接主控装置、电机驱动装置，为主控装置、电机驱动装置供电。

4.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述主控装置包括arduino UNO R3主控板。

5.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述小车姿态获取装置包括传感器模块，所述传感器模块采用MPU6050型6轴传感器模块。

6.如权利要求5所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述MPU6050型6轴传感器模块内部集成了卡尔曼滤波和姿态结算技术芯片，对两轮自平衡小车的三轴加速度、三轴角速度进行测量并通过串口直接读取三轴角度。

7.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述电机驱动装置包括两个直流电机、直流电机驱动电路和电机驱动器，所述两个直流电机与直流电机驱动电路、电机驱动器及两轮自平衡小车车轮连接。

8.如权利要求7所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述电机驱动装置采用电机驱动器同时驱动两个直流电机，通过两个直流电机驱动车轮运动。

9.如权利要求7所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述电机驱动器采用L298P型电机驱动器；所述L298P型电机驱动器为两路H桥驱动芯片，同时驱动两个直流电机，输出电流达2.5A。

10.如权利要求9所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述L298P型电机驱动器的输出引脚IN1、IN2分别连接arduino UNO R3主控板的8、9引脚，所述L298P型电机驱动器的端口EN1连接arduino UNO R3主控板的10引脚；当EN1为高时，从IN1和IN2输入的PWM信号驱动一个直流电机的转速和方向。

11.如权利要求9所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述L298P型电机驱动器的输出引脚IN3、IN4分别连接arduino UNO R3主控板的6、7引脚，所述L298P型电机驱动器的端口EN2连接arduino UNO R3主控板的11引脚，当EN2为高时，从IN3 和IN4输入的PWM信号驱动另一个直流电机的转速和方向。

12.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述视觉传感器采用Pixy CMUcam5视觉传感器；所述Pixy CMUcam5视觉传感器识别并获取两轮自平衡小车前方目标的颜色、位置及大小信息。

13.如权利要求1所述的两轮自平衡小车自动跟随系统，其特征在于：所述主控装置的接口通过设置与调试模块连接上位机。