基于LiteOS的全向輪平衡車設計

樊圓圓 蔡駿 喬啟鳴 吳亞聯(lián)

摘 要：基于LiteOS的全向輪平衡車設計由搭載微處理器的車體和手機客戶端組成。用全向輪替換普通輪胎，提高其靈敏性、可操作性；將微處理器和電機控制部分相結(jié)合，保證車體正常運行；利用多種模塊檢測車體的速度、所處環(huán)境的溫濕度等信息；利用無線通信模塊將車體數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”；利用車體內(nèi)置的GPS模塊對車體進行實時定位，從而提高其安全性；所配備的手機客戶端可實時查詢車體信息，并進行“人車交互”。

關(guān)鍵詞：平衡車；全向輪；HUAWEI LiteOS；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已普及到人們的日常生活中。人們也因為有了這些代步工具，出行變得更加便捷。改革開放以來，汽車以每年8%的速度增長[1]，其帶來的經(jīng)濟效益毋庸置疑，但負面影響也不可忽視。如何做到兼顧環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，是值得深思的問題之一。

如今，交通工具正朝著環(huán)保、節(jié)能、小型、便捷等方向發(fā)展，雙輪平衡車的設計研究成為當今代步工具領(lǐng)域的熱點。國內(nèi)外有很多這方面的研究，目前對于平衡車這塊的研究主要是用不同組合的微處理器和傳感器，通過數(shù)據(jù)融合得到準確的位姿信息，由此來優(yōu)化“自平衡”。目前，市場上所出現(xiàn)的平衡車，僅僅是在不斷完善代步的功能，并無其他拓展功能，且其體積小，車體丟失的概率較大。

為了使平衡車更智能化，同時提高其靈活性、安全性，研究了此款優(yōu)化版平衡車，并融入了“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念。本文主要闡述了基于HUAWEI輕型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)LiteOS和STM32的全向輪平衡車，為改善出行方式提供新思路。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設計

1.1 系統(tǒng)功能分析

本文初步設計了一款用于代步的全向輪平衡車。具體實現(xiàn)以下幾個功能：

（1）平衡運行：使用者踏上車體后，車體維持平衡，穩(wěn)步前行，另外，當使用者發(fā)生身體發(fā)生傾斜要跌倒時，車體立即停止前行，保障使用者的人身安全；

（2）速度控制：使用者可身體前傾或者后傾來加速或者減速，身體左傾或者右傾來左轉(zhuǎn)彎或者右轉(zhuǎn)彎；

（3）GPS定位：利用車體內(nèi)的GPS模塊可實現(xiàn)車體的實時定位；

（4）溫濕度檢測：可以檢測出車體所處環(huán)境的溫濕度；

（5）藍牙通信：與手機終端建立藍牙通信，利用藍牙串口實時傳輸車體信息；

（6）無線通信：將車體數(shù)據(jù)通過WiFi上傳至服務器，實時提供車體信息，同時接收服務器指令，完成相應任務；

（7）遠程控制：通過下載車體數(shù)據(jù)，使用者可通過手機APP實時查詢車體的位置、速度、溫濕度等信息，同時下達相關(guān)命令，遠程控制車體。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計框圖

結(jié)合代步及拓展功能進行分析，本全向輪平衡車的核心是由STM32F103微處理器、雙路電機驅(qū)動器、無線通信模塊等傳感器共同組成[2]。其中，STM32微處理器對各傳感器收集到的數(shù)據(jù)進行處理，控制各模塊正常運作[3]。通過雙路電機驅(qū)動器，控制車體的啟動和停止；利用平衡維持模塊中的陀螺儀和加速度計，可較準確地測量載體的運動角速度和加速度，通過車體的傾角來判斷是否加減速、轉(zhuǎn)彎或者發(fā)送跌倒信息；利用藍牙模塊和WiFi模塊進行藍牙通信和數(shù)據(jù)傳輸，保障遠程控制的可行性；通過DHT11傳感器來檢測平衡車所在環(huán)境的溫濕度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件模塊設計與實現(xiàn)

2.1 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊用來驅(qū)動平衡車的雙輪運轉(zhuǎn)，保證小車正常運行，是整個系統(tǒng)的動力來源。

本模塊使用的是包含4通道邏輯驅(qū)動電路的電機驅(qū)動芯片——L298n模塊。通過將32單片機的 PWM 輸出引腳連接到電機驅(qū)動模塊，利用陀螺儀檢測出小車的角速度和加速度，由32單片機內(nèi)部進行相關(guān)計算，輸出一個占空比可變的矩形波來控制 L298n電機驅(qū)動模塊，進而控制平衡小車的電動機的轉(zhuǎn)速。電機控制輸入源于所控制的PD值轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C所控制的值；而電機控制輸出就是將單片機計算得到的PWM波形的占空比傳輸?shù)诫姍C驅(qū)動中。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊即無線通信模塊，可將用戶的平衡車連接到WiFi無線網(wǎng)絡上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。聯(lián)網(wǎng)后，利用HUAWEI LiteOS實時操作系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)，從而保障各功能的正常運行[4]。

本系統(tǒng)使用ESP8266模塊，是由上海樂鑫信息科技設計的低功耗WiFi芯片[5]。在SSCOM中向路由器發(fā)送指令 AT 來進行相關(guān)配置，如連接和打開WiFi，建立與TCP服務器的連接，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。在聯(lián)網(wǎng)過程中，實時上傳車體數(shù)據(jù)，即可在云平臺查看車體信息，同時下載數(shù)據(jù)包，執(zhí)行由客戶端發(fā)送的命令。

2.3 平衡系統(tǒng)模塊

2.3.1 陀螺儀模塊

陀螺儀模塊不僅能判斷物體運動的角速度，還可分辨出物體的運動方向。簡言之，當陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，由于陀螺儀和兩輪電動平衡小車系統(tǒng)是一個剛性結(jié)構(gòu)，因此，陀螺儀的角速度反應了小車系統(tǒng)的角速度。

本系統(tǒng)使用MPU6050模塊來測量角速度信號，通過對角速度積分[6]，得到角度值。但隨著時間的推移，積分運算產(chǎn)生的誤差較大，所以單獨使用陀螺儀來計算角速度傾角是不夠的，為了維持小車的穩(wěn)定性需加上加速度計。

2.3.2 加速度計模塊

為減少上述陀螺儀模塊的誤差，需要結(jié)合加速度計采集的角速度信號，才能穩(wěn)定地維持車體平衡。本系統(tǒng)的加速度計采用MMA7361模塊。如果車體沿著某個方向傾斜，MMA7361的相應軸就會輸出對應的變化電壓，同時傳輸?shù)絾纹瑱C中，并利用單片機的A/D 轉(zhuǎn)換器讀取輸出信號，以檢測其運動方向。結(jié)合傾角和運動方向來判斷用戶是否需要轉(zhuǎn)彎或改變出行速度，從而根據(jù)用戶的需求對車體的運行做出進一步改變。當單片機通過傾角判斷車體將跌倒時，會控制電機停止運行。

2.4 藍牙模塊

本模塊使用奧松機器人藍牙4.0模塊。藍牙可利用單片機進行串口通信，即車體與手機終端建立通訊，從而實現(xiàn)客戶端實時查詢車體信息的功能。該模塊具有集成度高、成本低、功耗低、藍牙射頻性能優(yōu)越等特點。

2.5 GPS模塊

GPS模塊用于對車體進行實時定位，從而提高其安全性和防盜性。本系統(tǒng)使用野火GPS模塊，其性能高、功耗低，可通過串口向單片機及手機客戶端輸出GPS定位信息。

2.6 溫濕度檢測模塊

本模塊使用DHT11傳感器檢測溫濕度，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

3.1 初始化界面設計

本文設計的手機客戶端界面主要顯示來自車體內(nèi)部核心處理器STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。首先判斷車體是否上線，當車體開機后，下載并解析來自服務器的數(shù)據(jù)，其次顯示其實時狀態(tài)，顯示界面共分為4個子界面，分別為導航定位、運行狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)測和命令交互。該部分程序的實現(xiàn)基于C++語言編程完成。其整體設計和基本算法的架構(gòu)流程如圖2所示。

3.2 串口屏各功能界面設計

3.2.1 導航定位

此功能提供了定位導航服務，使用者打開手機客戶端便可接收車體此時的GPS信息，當車體遺失時，可做進一步的追蹤，由此提高系統(tǒng)的安全性、防盜性。同時，可結(jié)合手機自帶軟件“高德地圖”進行導航。其整體設計的架構(gòu)流程如圖3所示。

3.2.2 運行狀態(tài)

此選項提供車體此時的設備狀態(tài)，同時對車體所處的環(huán)境進行監(jiān)測。使用者可實時了解到車體的運行速度、電量及其所在環(huán)境的溫濕度。同時，對超速、低電量以及高溫狀態(tài)做出相應的警示。其整體設計的架構(gòu)流程如圖4所示。

3.2.3 藍牙通信

當車體未連接互聯(lián)網(wǎng)時，手機客戶端可利用藍牙與車體建立通信，從而顯示設備狀態(tài)。其整體設計流程如圖5所示。

3.2.4 命令交互

此功能可滿足用戶的不同要求，如自動開機、自主到達指定位置和調(diào)節(jié)速度等。通過此功能，當使用者忘記平衡車的具體位置時，可讓其自主回到使用者身邊，一定程度上提供了便利，智能引導操作流程如圖6所示。

4 創(chuàng)新點分析

4.1 全向輪的使用

為平衡車安裝全向輪。全向輪轉(zhuǎn)彎半徑很小，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動，不僅能像常見的輪子那樣前后移動和轉(zhuǎn)彎，還能橫向移動以及原地轉(zhuǎn)圈，靈活快速，易于控制，停車更加方便。

4.2 HUAWEI LiteOS實時操作

本系統(tǒng)采用HUAWEI LiteOS實時操作系統(tǒng)，并行四個優(yōu)先級從高到低的任務：電機控制任務、傳感器信號采集任務、藍牙串口任務及發(fā)送報文到服務器任務。各任務周期運行，并進行進程通信，電機控制任務對陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)進行速度環(huán)、角度環(huán)計算，進而實現(xiàn)控制車體平衡，對服務器下發(fā)數(shù)據(jù)和藍牙串口數(shù)據(jù)實現(xiàn)車體的行進控制。此操作系統(tǒng)實時性強，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的智能化。

4.3 安全性

利用車體的定位系統(tǒng)，可掌握其實時位置。當車體遺失時，可進行定位追蹤，同時利用其交互功能，可讓車體發(fā)出警報，引起周圍人注意，提高系統(tǒng)的安全性和防盜性。

5 結(jié) 語

本文完成了基于LiteOS的全向輪平衡車的系統(tǒng)設計，實物如圖7所示。以STM32微處理器為核心，利用硬件各模塊搭建了一個自平衡系統(tǒng)，以HUAWEI LiteOS做為實時系統(tǒng)，進行軟件設計，同時對整個平衡系統(tǒng)進行了擴展。實驗證明，本系統(tǒng)易于操作、功能豐富、成本低廉，可廣泛用在實際生活中的多類場所。

參考文獻

[1]劉修龍.基于CCD的自平衡小車的設計[D]. 開封：河南大學，2014

[2]劉火良.楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013

[3]張志強.基于STM32的雙輪平衡車[J].電子設計工程，2011（7）：103-106.

[4]華為技術(shù)有限公司.HUAWEI LiteOS Kernal開發(fā)指南[Z].華為專有和保密信息，2016.

[5] ESP8266串口WiFi模塊的基本使用[EB/OL]http：//www.shaoguoji.cn/2017/01/15/ESP8266-usage/，2017-11-28

[6]張吉昌. 單軸雙輪自平衡代步車的研究與設計[D].青島：中國海洋大學，2009.

[7]胡建，顏鋼鋒.基于自抗擾控制算法的兩輪自平衡分析[J]. 機電工程，2014，31（2）：159-164.

[8]薛凡，孫京誥，嚴懷成. 兩輪平衡車的建模與控制研究[J]. 化工自動化及儀表，2012，39（11）：1450-1454.