一种可避障自平衡车控制装置及自平衡车的制作方法

本发明涉及自平衡车，特别是一种可避障自平衡车控制装置及自平衡车。

背景技术：

自平衡车拥有优秀的便携性和机动性，正成为人们解决出行最后一公里的最优选择。现有的自平衡车方案中，当平衡小车在遇到障碍的时通常由驾驶者迅速下车制动，或者是驾驶者使用控制面板进行制动，上述两种方式均通过驾驶者主观意识实现避障，存在反应时间长的缺陷，并且驾驶者使用控制面板制动方式还存在一定的错误几率。尤其是在自平衡车高速运行或者遇到紧急情况是，人为操作方式存在的反应性事件和稳定性都将面临考验，稍有不慎，就可能出现意外事故。综上所述，对于乘用工具避障方案，反应时间是尤为关键的因素，现有的自平衡避障方案存在依靠人工干预和反应时间长的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有自平衡车避障方案反应时间长的问题，提供一种可避障自平衡车控制装置及自平衡车避障方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种可避障自平衡车控制装置，包括微控制器以及与所述微控制器连接的加速度传感器、测距模块和电机驱动模块；

所述加速度传感器用于测量车体加速度，并将车体加速度数据传输至所述微控制器，所述微控制根据所述车体加速度数据计算平衡参数，根据所述平衡参数向所述电机驱动模块发送驱动信号；

所述测距模块用于测量所述车体与障碍物间的间隔距离，并将所述间隔距离传输至所述微控制器，所述微控制器根据所述间隔距离触发中断，并向所述电机驱动模块发送避障信号。

所述加速度传感器模块与所述微控制器通过I2C总线连接。所述测距模块与所述微控制器通过I2C总线连接。

可选地，所述测距模块包括多个超声测距传感器，多个所述超声测距传感器水平或者竖直排列。所述超声测距传感器水平排列有利于提高水平方向探测范围以及探测精度。同时，对于障碍物呈垂直分布形态时，所述超声测距传感器竖直排布有利于提高竖直方向上障碍物探测范围和探测精度。

可选地，所述测距模块包括光学测距传感器。作为一种具体的实施方式，所述光学测距传感器为红外测距传感器。参考超声测距传感器布设方式，可以采用多个所述红外测距传感器，多个所述红外测距传感器呈水平或者竖直排列。

考虑避障距离、应用场景的不同需求以及成本因素，作为一种可选的实施方式，若为多个测距传感器，同时采取超声测距传感器和红外测距传感器。

进一步地，所述微控制器包括平衡参数计算模块，所述平衡参数计算模块根据所述车体加速度数据计算车体状态参数，所述车体状态参数包括车体倾斜角。加速度传感器计算车体状态参数静态性好，没有累计误差。同时，对于竖直面内的转动，所述车体失衡，就会以车轮为轴发生转动，通过加速度数据进一步计算得到角加速度和角速度。

可选地，所述控制装置还包括与所述微控制器连接的角速度传感器，所述角速度传感器用于测量车体运动角速度。具体地，所述角速度传感器为陀螺仪。

进一步地，所述平衡参数计算模块还根据所述车体运动角速度计算所述车体状态参数。

进一步地，所述微控制器还包括间隔距离判定模块，所述间隔距离判定模块用于比较所述间隔距离与预设的安全距离的大小关系。

本发明的第二方面，提供一种采用上述控制装置可避障自平衡车。

本发明的再一方面，提供一种基于上述控制装置的自平衡车避障方法，包括：

步骤S100，设定安全距离；

步骤S200，超声测距模块获取前方物体与车体的间隔距离；

步骤S300，判定所述间隔距离是否小于预设的所述安全距离；

若是，启动避障模式S400；

若否，继续S300判定。

进一步地，步骤S300，所述避障模式包括制动过程和回退过程。

进一步地，步骤S300，车体停止运动并回退至所述间隔距离大于所述安全距离时，所述避障模式结束。

进一步地，对于采用2个所述超声测距模块的场景，当1个超声测距模块获取的所述间隔距离小于所述安全距离时，启动一级避障模式；当2个超声测距模块获取的所述间隔距离小于所述安全距离时，启动二级避障模式；所述二级避障模式相比一级避障模式具有更大的制动减速度。当2个或2个以上超声测距模块均探测到前方障碍物，通常指示前方障碍物体积较大，碰撞危险程度也相应增大。因此，对于2个或2个以上的超声测距模块获取的所述间隔距离均触发避障模式时，采用更高等级的避障策略。

进一步地，当2个所述超声测距模块水平排列时，可以获取到前方障碍物的水平展布。据此，根据其测得的所述间隔距离差值，避障模式包括朝向所述间隔距离较大的一侧的转向动作。具体工作时，2个所述超声测距模块将获取的所述间隔距离信息传递至微控制器，所述微控制器根据所述间隔距离的差值信息计算出左、右轮运动参数，再传递至电机驱动模块驱动所述左、右轮完成制动及转向运动。

作为具体的实施方式，所述安全距离为100cm～300cm，其一考虑到所述超声测距模块的探测范围及探测精度，其二考虑到自平衡的运行速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的可避障自平衡车控制装置通过测距模块检测自平衡车车体与前方障碍的间隔距离，进而微控制器根据所述间隔距离向电机驱动模块发送驱动或者触发中断信号，实现对前方障碍物的预判，以及车体的运动方案决策，有效提高了自平衡车避障反应时间，提升了自平衡车的使用安全性。

此外，采用上述控制装置的自平衡车避障方法在制动的同时，实现车身回退动作。据此，即便是对面的物体存在相向而行的情况，采用该控制装置的自平衡车也能够及时躲避。

附图说明：

图1为本发明实施例1可避障自平衡车控制装置结构图；

图2为本发明实施例1微控制器电路结构图；

图3为本发明实施例1加速度传感器电路结构图；

图4为本发明实施例1电机驱动模块电路结构图；

图5为本发明实施例1超声测距模块接口部分电路图；

图6为本发明实施例1自平衡车避障方法流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图1，实施例1提供一种可避障自平衡车控制装置，包括微控制器以及与所述微控制器连接的加速度传感器、超声测距传感器和电机驱动模块；

所述加速度传感器用于测量车体加速度，并将车体加速度数据传输至所述微控制器，所述微控制根据所述车体加速度数据计算平衡参数，根据所述平衡参数向所述电机驱动模块发送驱动信号；

所述驱动信号驱动所述自平衡车左、右轮电机实现自平衡车直立、行进及转向运动；

所述超声测距传感器用于测量所述车体与障碍物间的间隔距离，并将所述间隔距离传输至所述微控制器，所述微控制器根据所述间隔距离触发中断，并向所述电机驱动模块发送避障信号。

所述微控制器采用单片机，单片机控制电路图参见图2。

所述加速度传感器模块与所述微控制器通过I2C总线连接。如图3所示，所述加速度传感器采用MPU6050芯片，MPU6050包括中断引脚，保持所述控制装置判断与所述MPU6050芯片同步，增强系统稳定性。

如图4所示，为所述电机驱动模块电路结构图，其中AN1和AN2按真值表控制电机的正反转，PWMA接口用于接收PWM信号从而通过编码器控制电机转速。

所述超声测距传感器与所述微控制器通过I2C总线连接，如图5所示。

可选地，所述测距模块包括多个超声测距传感器，多个所述超声测距传感器水平或者竖直排列。所述超声测距传感器水平排列有利于提高水平方向探测范围以及探测精度。同时，对于障碍物呈垂直分布形态时，所述超声测距传感器竖直排布有利于提高竖直方向上障碍物探测范围和探测精度。

所述微控制器包括平衡参数计算模块，所述平衡参数计算模块根据所述车体加速度数据计算车体状态参数，所述车体状态参数包括车体倾斜角。加速度传感器计算车体状态参数静态性好，没有累计误差。同时，对于竖直面内的转动，所述车体失衡，就会以车轮为轴发生转动，通过加速度数据进一步计算得到角加速度和角速度。

所述微控制器还包括间隔距离判定模块，所述间隔距离判定模块用于比较所述间隔距离与预设的安全距离的大小关系。

实施例1还提供一种采用上述控制装置可避障自平衡车。

一种基于上述控制装置的自平衡车避障方法，如图6所示，包括：

步骤S100，设定安全距离；

步骤S200，超声测距模块获取前方物体与车体的间隔距离；

步骤S300，判定所述间隔距离是否小于预设的所述安全距离；

若是，启动避障模式S400；

若否，继续S300判定。

步骤S300，所述避障模式包括制动过程和回退过程。

步骤S300，车体停止运动并回退至所述间隔距离大于所述安全距离时，所述避障模式结束。

对于采用2个所述超声测距模块的场景，当1个超声测距模块获取的所述间隔距离小于所述安全距离时，启动一级避障模式；当2个超声测距模块获取的所述间隔距离小于所述安全距离时，启动二级避障模式；所述二级避障模式相比一级避障模式具有更大的制动减速度。当2个或2个以上超声测距模块均探测到前方障碍物，通常指示前方障碍物体积较大，碰撞危险程度也相应增大。因此，对于2个或2个以上的超声测距模块获取的所述间隔距离均触发避障模式时，采用更高等级的避障策略。

当2个所述超声测距模块水平排列时，可以获取到前方障碍物的水平展布。据此，根据其测得的所述间隔距离差值，避障模式包括朝向所述间隔距离较大的一侧的转向动作。具体工作时，2个所述超声测距模块将获取的所述间隔距离信息传递至微控制器，所述微控制器根据所述间隔距离的差值信息计算出左、右轮运动参数，再传递至电机驱动模块驱动所述左、右轮完成制动及转向运动。

所述安全距离为100cm～300cm，其一考虑到所述超声测距模块的探测范围及探测精度，其二考虑到自平衡的运行速度。