基于體感控制的智能車設(shè)計

陳玉敏，謝　瑋，孟憲民

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息學(xué)院，山東 威?！?64209；2.山東卡爾電氣股份有限公司，山東 威?！?64209）

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基于體感控制的智能車設(shè)計

陳玉敏1，謝瑋1，孟憲民2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息學(xué)院，山東 威海264209；2.山東卡爾電氣股份有限公司，山東 威海264209）

摘要：智能車設(shè)計中遠(yuǎn)程端及控制端采用單片機(jī)作為主控制器，遠(yuǎn)程端即小車端接收到控制端發(fā)送過來的控制信號，實現(xiàn)自身轉(zhuǎn)向、姿態(tài)變換等動作，姿態(tài)傳感器安裝在人的手背上作為控制端，通過無線裝置將相關(guān)參數(shù)傳輸?shù)叫≤嚿系慕邮昭b置，接收器接收到相應(yīng)參數(shù)后，處理器執(zhí)行相應(yīng)濾波算法，發(fā)送指令，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。設(shè)計中按照低功耗、高精度原則進(jìn)行器件選型，主控制器部分、電機(jī)驅(qū)動等硬件電路設(shè)計力求經(jīng)濟(jì)性和精簡性。軟件設(shè)計充分發(fā)揮軟件控制靈活方便的特點，實現(xiàn)了小車的平穩(wěn)性和精確變換姿態(tài)等功能，所實現(xiàn)的智能車可應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂等各個領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：體感控制；智能車；陀螺儀；無線傳輸

伴隨汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，體感遙控車設(shè)計剛處于起步階段，在電子設(shè)計的智能化領(lǐng)域中，應(yīng)用單片機(jī)控制、遠(yuǎn)程遙控等各種技術(shù)[1?2]。體感控制小車即人們可以使用肢體動作直接控制遠(yuǎn)程端的小車做出各種姿態(tài)的變化。本設(shè)計中將遙控控制端安裝在人的手背上，通過人手的姿態(tài)變化得到小車的姿態(tài)控制信號，最終實現(xiàn)小車的遠(yuǎn)程控制。增加使用者較高的用戶體驗，增強(qiáng)小車的實用性，在控制端安裝了無線發(fā)射裝置，在小車端安裝了無線接收器。其設(shè)計思想可以應(yīng)用在醫(yī)療、娛樂等領(lǐng)域，例如體感控制的輪椅和體感控制的游戲。

1　體感遙控智能車的整體設(shè)計方案

1.1體感遙控智能車實現(xiàn)功能

體感控制小車是對兩輪自平衡車或者自平衡平臺的一種延續(xù)和擴(kuò)展應(yīng)用。通過增加遙控控制端得到小車的控制信號，即將姿態(tài)采集器安裝在手背上，為了減少控制端的體積和質(zhì)量，設(shè)計無線控制模塊傳輸參數(shù)。小車端可以實現(xiàn)獨立行走，當(dāng)接收到遙控端信號時實現(xiàn)自身相應(yīng)的姿態(tài)變化。

1.2總體方案設(shè)計

根據(jù)需要設(shè)計的功能，控制端分為單片機(jī)、無線傳輸模塊、姿態(tài)傳感器；小車端分為測距模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊及無線傳輸模塊，系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。其中，直流電機(jī)的速度使用PWM方式控制，使用89C52的定時器1，它是16位定時器，通過定時輸出周期變化的矩形波，加載矩形波到電機(jī)上，為了實現(xiàn)兩個電機(jī)的無差速控制，需要對小車增加測量裝置以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2　硬件結(jié)構(gòu)

2.1單片機(jī)模塊

本設(shè)計采用的主控制芯片為STC公司生產(chǎn)的嵌入式微處理器STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)是新一代高速、超強(qiáng)抗干擾、低功耗的單片機(jī)[3?4]。指令代碼與傳統(tǒng)STC8051單片機(jī)完全兼容，片上RAM有集成的512 B，工作電壓為5 V，32個通用I/O口，可作為看門狗或E2PROM使用，使用中無需專用編程器或仿真器，應(yīng)用串口直接下載用戶程序，有3個16位定時器/計數(shù)器及4路外部中斷，具有外部中斷喚醒功能和低功耗，STC89C52RC單片機(jī)運(yùn)行可靠性好、速度高、性價比高。

圖1　系統(tǒng)模塊圖

2.2電機(jī)驅(qū)動模塊

直流電機(jī)采用直流電機(jī)驅(qū)動芯片L298，驅(qū)動電流可達(dá)1.2 A，外圍器件較簡單。選用兩個減速電機(jī)，通過PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過單片機(jī)輸出高、低電平控制小車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退。P0.0與P0.1引腳控制A電機(jī)，P0.2與P0.3引腳控制B電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動控制表如表1所示。

表1　電機(jī)驅(qū)動控制

2.3無線傳輸模塊

無線傳輸模塊使用NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24L01[5?6]。其工作頻段在2.4~2.5 GHz，可選擇設(shè)置SPI接口進(jìn)行控制，傳輸速率可為1 Mb/s或2 Mb/s，其正常工作兼容電平為3.3 V，由于本設(shè)計中單片機(jī)輸出電平為5 V，為使無線模塊正常傳輸，需要設(shè)計電壓轉(zhuǎn)化電路，如圖2所示。

2.4超聲波測距模塊

超聲波傳感器通過發(fā)送一個超聲波和提供一個對應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時間的輸出脈沖來工作。程序流程如圖3所示，整個系統(tǒng)由信號發(fā)生電路和信號接收電路組成。單片機(jī)發(fā)出40 kHz的信號后，超聲波發(fā)射器輸出接收到的放大信號，接收器接收到信號后，啟動單片機(jī)程序測出傳輸時間，經(jīng)過計算得到距離數(shù)傳給顯示器顯示。

圖2　nRF24L01模塊電路原理圖

圖3　超聲波程序流程圖

2.5MPU6050模塊

MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器等性能[7?8]。單片機(jī)與MPU6050進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，采用I2C總線連接，其SCL和SDL兩個引腳與單片機(jī)的I/O口直接相連，其模塊原理圖如圖4所示。

圖4　MPU6050工作原理圖

MPU6050數(shù)據(jù)處理中，加速度計、陀螺儀主要用來檢測車體傾斜角和傾斜角的變化速度，在角度測量時，除了小車角度變化的信號外，還伴隨著因車體運(yùn)動而產(chǎn)生的噪聲，這個噪聲會隨著車體運(yùn)動速度的增大而增加。本系統(tǒng)中采用微控制器循環(huán)采樣來獲取陀螺儀的角速率信息，這樣長時間的工作輸出數(shù)據(jù)就會受到噪聲干擾。為了獲取車體傾角值的準(zhǔn)確值，需要對加速度計和陀螺儀的輸出進(jìn)行融合，本設(shè)計采用卡爾曼濾波的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，卡爾曼濾波是一種遞歸算法[9?10]。需要對K時刻車體的實際角度值估算。先根據(jù)K-1時刻角度預(yù)測值得到K時刻的角度值，再根據(jù)K時刻的預(yù)測角度值和高斯噪聲的方差，進(jìn)行遞歸運(yùn)算，直到得到最優(yōu)的遙控傾斜角度值。單片機(jī)通過I2C總線獲得的數(shù)據(jù)不能直接作為控制信號使用，需要對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，以下為MPU6050姿態(tài)的變化坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5　傳感器姿態(tài)坐標(biāo)圖

俯仰角α：水平面和傳感器坐標(biāo)系 X軸的夾角。當(dāng)X軸正半軸在過坐標(biāo)原點水平面上時，俯仰角為正，反之為負(fù)。

偏航角γ：傳感器坐標(biāo)系的X軸的水平投影與地面坐標(biāo)系X軸（指向目標(biāo)為正）之間的夾角，設(shè)由X軸逆時針至投影時的偏航角為正，即向右偏航為正，反之為負(fù)。

滾轉(zhuǎn)角 β：傳感器坐標(biāo)系Z軸與通過機(jī)體x軸的鉛垂面間的夾角。

分析后，對角速度積分得到傾斜角度：

采用卡爾曼濾波計算傾角：

進(jìn)行互補(bǔ)濾波。補(bǔ)償原理是取當(dāng)前傾角和加速度獲得傾角差值進(jìn)行放大，然后與陀螺儀角速度疊加后再積分，從而使傾角跟蹤為加速度獲得的角度，設(shè)0.5為放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)補(bǔ)償度；10 ms為系統(tǒng)周期；Angle=Angle+（（（Angle_ax?Angle）*0.5+Gyro_y）*dt）。

3　智能車硬件組裝與測試

3.1硬件組裝

小車采用雙電機(jī)驅(qū)動加萬向輪結(jié)構(gòu)，整體為三輪結(jié)構(gòu)，小車整體重心偏后。小車的整體安裝需要對小車的硬件布局進(jìn)行合理規(guī)劃，使得小車的中心在三個輪的中心線上，并且盡量靠后，避免小車在突然啟停時前翻。通過多次修改調(diào)試，得到如圖6所示的小車結(jié)構(gòu)。遙控控制端采用手勢姿態(tài)控制小車行駛，將其直接安裝在手背上，如圖7所示。

圖6　智能車整體結(jié)構(gòu)

圖7　MPU6050安裝示意

3.2系統(tǒng)測試

組裝好小車和遙控器后，對其進(jìn)行整體測試。手勢與對應(yīng)運(yùn)行姿態(tài)見表2。單片機(jī)寫入程序后，按照表2中的動作進(jìn)行測試，小車能按照手勢進(jìn)行姿態(tài)的變化，動作準(zhǔn)確。

表2　手勢與小車姿態(tài)對照表

設(shè)置手勢閾值：

4　結(jié)語

通過對體感控制進(jìn)行研究，選擇相關(guān)體感遙控器件和算法，設(shè)計了一款基于手勢控制的體感遙控器，并通過無線傳輸模塊對小車行駛進(jìn)行控制。通過軟硬件的設(shè)計，并對小車硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化布局，所設(shè)計成品可以為相關(guān)課題提供實驗基礎(chǔ)，例如：自平衡臺、兩輪自平衡小車等平衡裝置的設(shè)計，同時也可以將其應(yīng)用到輪椅設(shè)計中，為人們帶來更大的便利。

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謝瑋（1975—），男，講師，系統(tǒng)分析師，博士。研究方向為控制科學(xué)與工程。

中圖分類號：TN710?34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004?373X（2016）03?0155?04

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.03.040

收稿日期：2015?07?12

基金項目：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）科研基金資助（HIT（WH）201303）

作者簡介：陳玉敏（1978—），女，碩士，工程師。研究方向為控制科學(xué)與工程。

Design of smart car based on motion sensing control

CHEN Yumin1，XIE Wei1，MENG Xianmin2
（1.College of Information，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China；2.Shandong Kaer Electric Co.，Ltd.，Weihai 264209，China）

Abstract：The MCU is taken as the main controller of the remote end and control end in the design of smart car.The car in the remote end can receive the control signal transmitted from the control end to realize the actions of self?turning and atti?tude transform.The attitude sensor is mounted on the back of the hand as the control end，and transmits the relevant parameters to the receiving device of the car by wireless transmitters.The controller executes the corresponding filtering algorithm after re?ceiving the relevant parameters，and sends instructions to realize remote control.The devices are selected according to the princi?ples of low power consumption and high precision in the design.The hardware circuit design including master controller and mo?tor drive should conform to the requirement of economy and simplification.The software design gives full play to the characteris?tics of the flexible software control to implement the functions of stability and accurate attitude transform of the car.The imple?mented smart car can be applied to the medical treatment，entertainment，and other fields.

Keywords：motion sensing control；smart car；gyroscope；wirelless transmission