声控自平衡小车及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种声控自平衡小车及其控制方法，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；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：传感器用于将采集信号发送给主控制器；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主控制器；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主控制器；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电机驱动器的控制信号；电机驱动器根据控制信号控制直流电机驱动车体运动。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
声控自平衡小车及其控制方法
本专利技术涉及平衡车
，具体地，涉及声控自平衡小车及其控制方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种声控自平衡小车及其控制方法。第一方面，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术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，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术提供的自平衡小车的原理结构示意图；图2为本专利技术中主控制器的电路图；图3为本专利技术中电机驱动器的电路图；图4为本专利技术中传感器的电路图；图5为本专利技术中语音控制器的电路图；图6为本专利技术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为本专利技术提供的车体实际倾角转换流程图；图8为本专利技术提供的PD算法控制小车自平衡软件流程图；图9为本专利技术提供的自平衡控制流程图；图10为本专利技术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专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术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APP18、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的型号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声控自平衡小车，其特征在于，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)、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。

【技术特征摘要】
1.一种声控自平衡小车，其特征在于，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)、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。2.根据权利要求1所述的声控自平衡小车，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的声控自平衡小车，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的声控自平衡小车，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的声控自平衡小车，其特征在于，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)。6.一种声控自平衡小车的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-5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(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；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(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴丽华，束方耀，邹壮志，唐茂淞，王栋，赵展，王奔，
申请(专利权)人：苏州工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32