声控自平衡小车的设计与研究

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引言
（一）课题研究背景
在当今社会，自平衡车需要自动跟随、自动平衡和语音控制。在跟随、检测的准确与否直接影响到小车跟踪移动速度和状态，平衡已广泛应用，将现有的基本功能与最新技术相融合，所以寻找一种低成本、强抗干扰能力能够准确地检测平衡位置和语音控制的方法是远程操作具有重要意义。
自平衡车，它不同于别的智能车的最显著的特点是车体的重心在两轮连接轴中心垂直的顶部，车轮前后旋转是用来维持车体自主平衡，还可以在垂直平衡。因为它不一样的特别构造，可以对不同复杂变化的地形做出相应的调整。因此，在面临这种情况下，设计出了一种能适应复杂环境并进行高难度操作的自平衡小车来解决当前的一些困难。
（二）国内外研究现状
自从自平衡车面世，许多国家的研究员都对此很感兴趣，因此，对小车的研究已经发展了很长时间。与此同时，大量的科学研究者和一些爱好者也相接发表了一些有关自平衡车的设计思路，而且对自主平衡和运动性能做了更全面的探讨。使得两轮小车在运输、载人、代步等生活方面产生不同作用。另外，对于它的外形也有一些独特新颖的风格，且造价低廉。因此使得它在商业社会中产生很高的商业价值。
国外研究例子：
（1）1987年，日本大学某科学研究者最先发表了两轮自平衡小车模型项目的研究。最先他选用Digital processor是为了对小车运动过程中实时姿态进行实时检测，然后利用相互平行的双轮前后来回运动进而调整小车的平衡。
（2）如图11所示，2002年，唯一以市场为导向的两轮自平衡电动小车非常受到大家的喜欢。卡门通过研究人们行走时的特点，理解人类能够直立行走原因，实际上由于人类身体器官的灵敏平衡可以更准确断定自身重心的变化程度，通过人的瞬间的条件


图11 Segway两轮自平衡车
反射，进而使用腿部肌肉立刻产生一个反向力来阻止人体倾倒。因而如果身体自然向前笔直弯曲，那么会产生一个条件反射会向前伸出脚来维持人体不会倾倒，所以通过向前、脚向前伸、向前、脚向前伸，这就构成了一种“行走”的动作。
国内研究例子：
（1）2016年，重庆邮电大学发表了一种利用无线遥控装置通过远程控制双轮小车实现自平衡 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072* 
的设计方案，使用Digital remote accelerometer作为操控传感器，从而通过远程操控双轮自平衡车方向及其速度实现运动稳定。测试说明，这种研究方法可以让小车维持站立、平衡行走、远程传输可靠数据、操控双轮自平衡小车每一时刻的运动姿态，具有很强的阻断其他因素带来的干扰的能力。
（2）2016年，温州大学电子信息工程学院师生共同提出基于线阵CCD传感器的光电平衡车的研制。小车是基于飞思卡尔的MC9S12XS128和一个线性CCD相机设计的。线阵CCD采集道路信息并通过运算放大器发送给单片机。采用比例积分微分控制算法，对平衡车进行了综合控制。首先，通过检测角度的传感器检测智能小车自平衡时，车体的倾角和角速度，然后采用PD控制算法，即比例微分控制算法，使智能小车具有双轮自平衡能力。第二，车轮的速度通过编码器反馈到单片机脉冲信号，然后PI控制算法，比例积分控制算法，用来做最后的速度，PD控制算法用于控制智能车的转向角使智能小车快速响应而智能车是通过曲线路径。智能小车可以实现两个轮子的自动平衡控制，并自动跟踪黑色线循迹。
（3）2017年，某大学电子工程学院发表了一种仅仅利用双轮进而实现对小车的自主平衡的研究方式，陀螺仪和加速度计MPU6050的集成构成了小车位置检测装置。系统采用32位核心芯片 作为核心控制器，实现对传感器数据的采集、存储、处理等，并且利用卡尔曼滤波算法完成对小车运动的控制和与人交换信息的一些操作功能。通过远程控制车载蓝牙模块完成前进、后退、左转等基本动作。
（三）课题研究意义
自平衡小车是一种集许多性能于一体的全面性繁琐结构。关键是解决各种环境中的自我平衡和控制任务。利用MPU6050姿态检测、光电速度传感器等，能够完成对小车的自平衡以及自动行走的操控。此外，还存在一些缺陷，单一的自主运动无法适应社会市场的需求。因此，许多人对此产生许多想法，有对小车进行无线遥控远程控制等等，简单的操作仅仅局限于其中几种动作，无法实现真正的智能自动化。
本论文设计了以STM32F103C8T6为控制系统的声控自平衡车，其由ISD1820语音模块、MPU6050姿态传感器、TB6612FNG驱动模块等组成。利用声音控制的形式，实现近距离控制自平衡小车进行作业操作。解决了对一些危险领域给人类带来的不可估量的安全威胁，可以适应市场需求，在危险领域代替人来进行危险性操作。
二、 STM32F103C8T6核心控制系统
根据前一章节对自平衡小车过去及现在应用的讨论，可以了解自平衡小车在未来社会生活中会变得非常普遍，然而对一些危险行业的发展还存在隐患。因此，通过对平衡小车平衡原理的分析和一些模块的介绍，选择最佳控制系统以及操控方式来减少给人类带来的一些不必要的麻烦。
（一）设计方案
方案一：以微控制器完成了软件滤波和自主掌控现实的平衡形态。此系统使用SCA61T传感器以及陀螺仪收集的车体平衡值和小车运动时的加速度。使用LM298集成电路构成驱动模块来控制电机运动和通过蓝牙的传输方式采集小车实时的运动数据并上传。选用合适的硬件电路以及编写能够满足要求的程序，并通过PID算法和滤波算法将硬件软件相结合，最终实现小车自主平稳运行。
方案二：利用MSP430F149为重点控制器，以MPU6050姿态检测系统时刻测量偏角，通过滤波算法计算时刻测量的角度和加速度值，通过实时光电检测电机输出脉冲宽度运算出运动过程中每一时刻速度，再使用PID算法分析处理小车动态平衡的数据信号，根据所计算出的测量数据，最后利用红外接收完成一些简单的方向运动。

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