声控自平衡小车的制作方法

本实用新型涉及平衡车技术领域，具体地，涉及声控自平衡小车。

背景技术：

平衡车又称为体感车，是一种特殊的轮式移动机器人，其体积小、结构简单、运行灵活，适于在狭窄的空间中运行。而能够根据路况实现车体自身平衡的平衡车被称为自平衡车。自平衡车的车体重心在两轮连接轴中心垂直的顶部，通过车轮前后旋转来维持车体自主平衡。

目前，自平衡车对车体平衡的检测方法灵敏度不高，无法适应复杂路况下的平衡控制需求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种声控自平衡小车。

第一方面，本实用新型实施例提供一种声控自平衡小车，包括：主控制器、传感器、语音控制器、测速模块编码器、电机驱动器、直流电机、计算机；所述主控制器与传感器、语音控制器、测速模块编码器、电机驱动器通信连接；其中：

所述传感器，用于将采集信号发送给所述主控制器；所述采集信号包括：车体的实时角度、角加速度；

所述语音控制器，用于将用户发送的语音信号转化为指令信号后发送给所述主控制器；

所述测速模块编码器，用于将检测的到车速信号进行编码后发送给所述主控制器；

所述主控制器，用于根据接收到的采集信号、指令信号、编码后的车速信号生成针对所述电机驱动器的控制信号；

所述电机驱动器根据所述控制信号控制所述直流电机驱动车体运动。

可选地，还包括：与所述主控制器电连接的蓝牙模块，所述蓝牙模块，用于与外部终端的蓝牙模块建立通信链路，以使得用户通过所述外部终端向所述主控制器发送方向操作指令。

可选地，所述主控制器还通过通讯串口与计算机电连接，以使得所述主控制器向计算机发送数据。

可选地，所述主控制器的型号为STM32F103C8T6，主控制器包括：时钟振荡电路、复位电路、USB串口通讯电路以及供电电路；

所述传感器的型号为MPU6050；

所述电机驱动器的型号为TB6612FNG；

所述直流电机的型号为MW25。

可选地，所述语音控制器的型号为MT8870，所述语音控制器包括：音频解码器和语音模块，语音控制器远程接收并处理用户输入的语音信号，将所述语音信号编译成指令信号后发送给所述主控制器。

第二方面，本实用新型实施例提供一种声控自平衡小车的控制方法，应用于第一方面中任一项所述的声控自平衡小车中；所述方法包括：

初始化声控自平衡小车的主控制器，并在初始化完成之后，通过传感器检测车体的实时角度、角加速度；

判断所述车体的当前角度是否在预设的安全角度范围内；

若所述车体的当前角度在预设的安全角度范围内，则接收语音控制器发送的语音信号，或者外部终端通过蓝牙模块发送的数据，启动测速模块编码器，根据预设的控制策略执行车体的自平衡控制；

若所述车体的当前角度不在预设的安全角度范围内，则根据所述角加速度判断车体是否倾倒，若倾倒，则停止运行；在经过预设时长后，重新判断所述车体的当前角度是否在预设的安全角度范围内；若未倾倒，则将通过通讯串口向计算机发送数据。

可选地，所述通过传感器检测车体的实时角度、角加速度，包括：

将传感器采集的信号转化为传感器的输出的电压，并根据所述输出电压的波动情况来判断车体的当前姿态；

将包含车体的当前角度和角加速度信息的输出电压通过卡尔曼滤波器进行检测，其中，传感器输出电压和检测到的角加速度的换算公式为式如下：

其中：G为车体当前倾斜时的角加速度，Vout为车体运动时输出的电压，Voffest为车体平衡状态下的输出电压，Vsen为灵敏度，K为放大系数。

传感器输出电压和检测的角度的换算公式如下：

其中，A为车体的实时角度，Vout为车体运动时输出的电压，Voffest为车体平衡状态下的输出电压，Vsen为灵敏度；通过反三角函数，得到小车在重力所指的角度。

可选地，根据预设的控制策略执行车体的自平衡控制，包括：

当车体平衡运动时，将车体重力所指的角度作为比例积分微分PID控制器的输入，将所述PID控制器的输出Uout作为直流电机的操控值，通过降低输入电压和降低直流电机速度的方式，对车体进行控速，输出电压ut的计算公式如下：

Uout＝Kp*angle+Kd*angle_dot

其中，Kp为比例系数，Kd为微分系数，angle为车体倾斜的角度，angle_dot为车体倾斜的角加速度。

可选地，还包括：

通过电机控制子函数给直流电机设定速度，直流电机的转速设定为直线、左转或右转；若车体进行左转弯，则将车体左轮的转速改变成右轮的1/2；若车体右转弯，则将车体右轮的转速改变成左轮的1/2。

可选地，还包括：

在语音控制器中预先录制和存储针对车体的控制语音，并将所述控制语音进行解码和编译；

当语音控制器接收到用户输入的语音信号时，对所述语音信号与预先存储的控制语音进行匹配处理，得到匹配的控制语音，并将匹配的所述控制语音进行解码和编译后，转换为相应的指令信号，以使得所述主控制器根据所述指令信号来执行对车体的控制。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型能够对自平衡小车进行语音和远程控制，且检测灵敏度高，满足复杂路况下的平衡控制需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型提供的自平衡小车的原理结构示意图；

图2为本实用新型中主控制器的电路图；

图3为本实用新型中电机驱动器的电路图；

图4为本实用新型中传感器的电路图；

图5为本实用新型中语音控制器的电路图；

图6为本实用新型一实施例提供的自平衡小车的控制方法的流程示意图；

图7为本实用新型提供的车体实际倾角转换流程图；

图8为本实用新型提供的PD算法控制小车自平衡软件流程图；

图9为本实用新型提供的自平衡控制流程图；

图10为本实用新型提供的语音控制设计流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

图1为本实用新型提供的自平衡小车的原理结构示意图，如图1所示，所述自平衡小车包括：主控制器11、传感器12、语音控制器13、测速模块编码器14、电机驱动器15、直流电机16、手机APP 18、计算机20；所述主控制器11与传感器12、语音控制器13、测速模块编码器14、电机驱动器15通信连接；其中：所述传感器12，用于将采集信号发送给所述主控制器11；所述采集信号包括：车体的实时角度、角加速度；所述语音控制器13，用于将用户发送的语音信号转化为指令信号后发送给所述主控制器11；所述测速模块编码器14，用于将检测的到车速信号进行编码后发送给所述主控制器11；所述主控制器11，用于根据接收到的采集信号、指令信号、编码后的车速信号生成针对所述电机驱动器15的控制信号；所述电机驱动器15根据所述控制信号控制所述直流电机16驱动车体运动。

在一种可选的实施方式中，图1中的自平衡小车还包括与所述主控制器11电连接的蓝牙模块17，所述蓝牙模块17，用于与外部终端的蓝牙模块建立通信链路，以使得用户通过所述外部终端向所述主控制器11发送方向操作指令。

在一种可选的实施方式中，图1中的自平衡小车的所述主控制器11还通过通讯串口19与计算机20电连接，以使得所述主控制器11向计算机发送数据。

在一种可选的实施方式中，所述主控制器11的型号为STM32F103C8T6，主控制器11包括：时钟振荡电路、复位电路、USB串口通讯电路以及供电电路；所述传感器12的型号为MPU6050；所述电机驱动器15的型号为TB6612FNG；所述直流电机16的型号为MW25。所述语音控制器13的型号为MT8870，所述语音控制器13包括：音频解码器和语音模块，语音控制器13远程接收并处理用户输入的语音信号，将所述语音信号编译成指令信号后发送给所述主控制器11。

具体地，图2为本实用新型中主控制器的电路图；图3为本实用新型中电机驱动器的电路图；图4为本实用新型中传感器的电路图；图5为本实用新型中语音控制器的电路图。如图2所示，所述主控制器11为单片机，其型号为STM32F103C8T6，主控制器11作为中央主控器，包括时钟振荡电路、复位电路、USB串口通讯电路以及供电电路。

具体地，主控制器11可以使用单片机进行替代，只有当单片机处于待机状态时，内部下拉电阻将瞬间降低时钟振荡电路的输入端，时钟振荡电路将立刻停止振动，最终实现节约用电的目的。单片机的复位电路在上电后，因为电容器在不停的充电，复位状态处于较低的状态，导致单片机复位，但是当电容器充满电时，那么复位端就会产生高电平，则单片机就开始工作。单片机配备了与全速度USB兼容的设备控制器，48MHz的时钟专用的USB是由内部PLL直接产生。

如图4所示，所述传感器12的型号为MPU6050，所述传感器12用于实时检测动态平衡过程中实时角度以及角加速度。MPU6050将陀螺仪与加速度计相结合，合为一体，然后让ADC值经过12C总线得到六维输出值。此外，传感器本身为使用IIC设备者提供了副接口。通常，芯片连接到一个数字罗盘，形成一个九轴传输形态模型。最后，该芯片是一个集成的DMP数字移动处理器，可以直接通过硬件解决四元数，使它容易实现。传感器12内部本就含有稳压电路，因此可以兼容3.3V或者5V电源电压，选用最新的DC滤波方法，既可以消除干扰又可以提高精度。在通信中，MPU6050拥有I2C接口，高级用户能够通过对底层数据的监测进行采样、处理、分析等。

如图5所示，所述语音控制器13的型号为MT8870，所述语音控制器13包括音频解码器和语音模块，语音控制器13远程接收并处理数据，编译成指令，并将指令传递给所述主控制器11。语音控制小车是一个全新的设计，可以省去许多麻烦事，可以更方便的去控制自平衡小车进行相应的动作或功能，先达到近距离语音控制的效果。将其设计为一个以语音控制为核心的模块，利用语音采集、编译、编辑、执行等操作，来全面的控制小车进行动态运作。利用语音模块将人发出的特定声音录制并存储，并对所接收的声音进行解码，并编译成对应的数据信号发送至主控制器，进而实现近距离操控小车进行各种形态的运动。

进一步地，所述测速模块编码器14用于检测小车的运动速度并进行编码。想要实现更迅速、更平稳地操控车速，为此增添了测速模块编码器来充当对速度的响应回路，选用PID算法控制速度控制的方式，防止因车体过度震荡而失去平衡。

如图3所示，所述电机驱动器15的型号为TB6612FNG，所述直流电机16的型号为MW25，所述电机驱动器15用于对所述直流电机16进行操控。小车本身由于要通过车轮来回转动来修正其平衡，因而选用的电机要符合顺逆都可旋转。所以，使用TB6612FNG电机驱动芯片成为操控直流电机的模块，而且其内部含有两组H桥电路更加能够满足电机双向转动的要求，最大输出电流可达3.2A，可以防止MW25直流电机不会因堵转或调试不当造成烧毁，通过改变单片机输出的PWM占空比来改变小车的速度，最终使小车达到平衡。当电源打开电机上电时，电流在那一刹那间会变得极大，这将导致系统所有电压瞬间被拉低，最终致使所有模块电路不能拥有合适的电压，进而无法正常工作，所以要给电源旁边加一个大容量的滤波电容。所述蓝牙模块17用于采集小车的动态数据以及控制小车运动；所述串口通讯19用于将信号传递给计算机20。

需要说明的是，本实施例不限定主控制器11、传感器12、语音控制器13的具体类型，本领域技术人员可以根据实际情况选用其他型号的器件来实现本实施例中上述各项器件所执行的功能。

进一步地，本实用新型实施例还提供一种声控自平衡小车的控制方法，应用于上述的声控自平衡小车中；所述方法包括：

S101、初始化声控自平衡小车的主控制器11，并在初始化完成之后，通过传感器12检测车体的实时角度、角加速度。

本实施例中，可以通过传感器12检测车体的实时角度、角加速度。具体地，将传感器采集的信号转化为传感器的输出的电压，并根据所述输出电压的波动情况来判断车体的当前姿态；将包含车体的当前角度和角加速度信息的输出电压通过卡尔曼滤波器进行检测，其中，传感器输出电压和检测到的角加速度的换算公式为式如下：

其中：G为车体当前倾斜时的角加速度，Vout为车体运动时输出的电压，Voffest为车体平衡状态下的输出电压，Vsen为灵敏度，K为放大系数。

传感器输出电压和检测的角度的换算公式如下：

其中，A为车体的实时角度，Vout为车体运动时输出的电压，Voffest为车体平衡状态下的输出电压，Vsen为灵敏度；通过反三角函数，得到小车在重力所指的角度。

S102、判断所述车体的当前角度是否在预设的安全角度范围内。

S103、若所述车体的当前角度在预设的安全角度范围内，则接收语音控制器13发送的语音信号，或者外部终端通过蓝牙模块17发送的数据，启动测速模块编码器14，根据预设的控制策略执行车体的自平衡控制。

本实施例中，当车体平衡运动时，将车体重力所指的角度作为比例积分微分PID控制器的输入，将所述PID控制器的输出Uout作为直流电机16的操控值，通过降低输入电压和降低直流电机速度的方式，对车体进行控速，输出电压ut的计算公式如下：

Uout＝Kp*angle+Kd*angle_dot

其中，Kp为比例系数，Kd为微分系数，angle为车体倾斜的角度，angle_dot为车体倾斜的角加速度。

S104、若所述车体的当前角度不在预设的安全角度范围内，则根据所述角加速度判断车体是否倾倒，若倾倒，则停止运行；在经过预设时长后，重新判断所述车体的当前角度是否在预设的安全角度范围内；若未倾倒，则将通过通讯串口19向计算机20发送数据。

本实施例中，还可以通过电机控制子函数给直流电机16设定速度，直流电机16的转速设定为直线、左转或右转；若车体进行左转弯，则将车体左轮的转速改变成右轮的1/2；若车体右转弯，则将车体右轮的转速改变成左轮的1/2。

本实施例中，还可以在语音控制器13中预先录制和存储针对车体的控制语音，并将所述控制语音进行解码和编译；当语音控制器13接收到用户输入的语音信号时，对所述语音信号与预先存储的控制语音进行匹配处理，得到匹配的控制语音，并将匹配的所述控制语音进行解码和编译后，转换为相应的指令信号，以使得所述主控制器11根据所述指令信号来执行对车体的控制。

图6为本实用新型一实施例提供的自平衡小车的控制方法的流程示意图，如图6所示，程序运行后，首先要对主控制器进行初始化，当初始化结束后，紧接着就是进入车体垂直检测子程序读取角加速度值，然后判别车体倾斜程度是否在操控安全角度范围内，如果在其中，就可以操控它进行车身自主平衡、变速运动、蓝牙远程控制、红外循迹以及声音操控，并且连续传输检测数据，再监控由USB端口上传至计算机的数据。与此同时，检查车体是否倾倒。小车车身倾斜度是否超过一定的可控范围，可以判断其是否倾倒。如果车体倾倒，就立刻停止车体一切操作，然后再次进入车体平衡判断。

在实际应用中，首先利用PID算法改变小车速度，再加上传感器对小车倾角的检测，从而使小车处于自平衡状态，然后设定相应动作的指令参数，当参数发生改变时，小车的运动状态也会随之改变。本实用新型中的传感器12具有数模转换模块，将其检测到的信号转化成传感器输出电压，再根据输出电压的起伏来判定小车的姿态平稳，对传感器12的数据传输进行换算，使角加速度和加速度计检测的角度最终被发送到卡尔曼滤波器中进行陀螺仪检测。依据卡尔曼滤波算法理论，其是一种具有高效率的自主回归滤波器。它的基本原理是分别通过对上一秒形态进行估值以及对此刻小车形态的估值最终推算出现在的形态值。本实用新型利用语音控制器将语音录取并存储，并进行解码并编译好，而后发送给主控制器进行指令编码，最后再利用主控制器发送指令到电机驱动器来控制直流电机执行相应指令的动作，最终实现语音控制自平衡小车，控制方便。

只有当操控占空比很小时，小车轮子与地面产生静摩擦，此时才会给电机上电。对于驱动过程中产生的抖动干扰，那么就要通过对电机的驱动操控进行计算，最终会发现超出了电机自控的安全范围。所以当经过PD算法计算传输之后，可以知道有没有超过最大可操控值，若大，则将其设为最大量。如图8所示，根据输入的当前倾角，计算出偏差变化，并进行PD运算：OUT＝Err*KP+Def*KD，OUT为输出电压，Err为当前车体倾角，KP为比例系数，Def为车体偏差变化值，KD为微分系数，*表示乘法运算。然后对其利用死区补偿，看OUT的能控范围，若过低，则电机设为反转；相反设为正转。

想要实现更迅速、更平稳地操控车速，为此增添了编码器来充当对速度的响应回路。选用PID算法控制速度控制的方式。从理论上讲，操控速度则选用盲区PID算法最合适不过。利用盲区时间的PID算法，防止因车体过度震荡而失去平衡。

因此，首先我们利用PID算法改变小车速度，再加上MPU6050对小车倾角的检测，从而使小车处于自平衡状态。然后设定相应动作的指令参数，当参数发生改变时，小车的运动状态也会随之改变。因此，在速度控制周期中，可以在平衡的基础上实现两个电机之间的差异。如图9所示，利用电机控制子函数给电机设定速度，电机的转速设定为直线、左转或右转。为了减小本设计的难度，该论文选用：如果小车进行左转弯，那么就将它的左轮的转速改变成右轮的1/2。同样地，小车右转弯则与左转弯相反，左右调换就行。对于自平衡小车已经实现简单的一些平衡行走功能，以及其他一些红外循迹及超声波避障和跟随等功能，此外，本设计还对其添加了一种新的功能，就是语音控制自平衡小车进行各种功能的实现，从而达到无需遥控，只需要人为语音控制就行了，变得更加方便。

利用LD3320语音控制模块将人为语音录取并存储，并进行解码并编译好，而后发送给MCU系统进行指令编码，最后再利用单片机发送指令到小车驱动模块来控制小车电机执行相应指令的动作，最终实现语音控制自平衡小车的方式。如图10所示，首先通过LD3320将人发出的指令语音进行接收、编译等，转换为数字信号的形式，另外还需从中将一些杂音消除，进而得到很清晰的语音数字码，然后利用单片机编码得到相应动作的指令，最后将指令发送给驱动电路，控制自平衡车动态平衡或者动态运动，最终实现近距离用声音命令小车做一些指令操作。

需要说明的是，本实用新型提供的所述声控自平衡小车的控制方法中的步骤，可以利用所述声控自平衡小车中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本实用新型提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本实用新型提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本实用新型提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。