随着智能科技的不断发展，智能自动巡逻平衡车在众多领域展现出巨大的应用潜力。
本文基于富芮坤 FR3068x-C 芯片设计了一款智能自动巡逻平衡车，采用 FreeRTOS 系统实现多线程任务管理，搭载语音对话功能，可实现唱歌、讲笑话、唤醒控制灯、控制行走、转弯、巡逻模式等丰富功能。通过超声波模块实时检测前方障碍物，实现自动避障；利用 I2C 接口实时采集温湿度数据，结合 ADC 接口采集可燃气体信息，将环境监测与安全防护紧密结合。通过 UART1 和 UART2 分别与语音模块及驱动控制芯片通讯，实时获取车况信息并精准控制车辆行动。借助 LVGL 图形库独立线程设计仪表盘，直观显示车况与环境数据。利用蓝牙上网功能，结合 lwip 网络协议栈与 TCP 协议，对接巴法云实时上传车况及控制信息，实现远程监控。本设计旨在打造一款功能强大、性能稳定、易于扩展的智能自动巡逻平衡车，为智能化设备在安防、物流、服务等领域的应用提供有力支持。
视频演示：
【【富芮坤FR3068x-C】语音唤醒后开关灯控制】
【【富芮坤FR3068x-C】语音控制行走】
【【富芮坤FR3068x-C】语音控制行走-巡逻-唱歌】
【【富芮坤FR3068x-C】巡逻-云端查看数据】
目录
1 引言
1.1 研究背景
在当今快速发展的智能时代，人们对智能化设备的需求日益增长。另外无论实验室、厂房、无人办公室等家里环境下都存在一定的安全问题，在没人的时候安全问题已显得尤为重要。而自动巡逻平衡车作为一种兼具移动性和智能性的设备，可广泛应用于安防监控、物流配送、服务行业等领域。其不仅能够减轻工作人员的负担，还可以提高工作效率和准确性。
此外，通过云平台接入，可从手机端或者办公室电脑实时监控到未知信息
1.2 研究目的
本文旨在设计一款基于富芮坤 FR3068x-C 芯片的智能自动巡逻平衡车，实现多种功能，包括语音交互、自动避障、环境监测、车况信息显示以及远程监控等。通过系统化的设计和优化，使其具备高性能、高可靠性、易用性以及良好的扩展性，满足不同场景下的应用需求。
1.3 研究方法与内容
本研究采用模块化设计方法，将系统划分为硬件和软件两大部分。硬件部分主要涉及主控芯片、语音模块、避障模块、传感器、驱动芯片、显示屏、蓝牙模块以及电源管理模块等。软件部分则基于 FreeRTOS 系统，通过创建独立线程实现多任务并发运行，包括语音对话、车况采集与控制、环境数据采集、仪表盘显示和蓝牙通信与云对接等功能。通过合理的设计和反复的测试，确保系统的性能和稳定性。2 系统功能概述
2.1 基础移动功能
平衡车能够实现基本的前进、后退、左转、右转等移动动作。用户可以通过语音指令或者手动操作来进行控制。在巡逻模式下，平衡车按照预设的路线自动行驶，无需人工干预。如前面附上视频演示
2.2 语音交互功能
具备强大的语音对话功能，包括唱歌、讲笑话等娱乐功能，为用户提供轻松愉快的互动体验。同时，用户可以通过语音唤醒控制灯，打开或关闭车上的灯，方便在不同环境下的使用。此外，语音指令还可以直接控制平衡车的行走、转弯和巡逻模式，使操作更加便捷和智能化。如前面附上视频演示
2.3 自动避障功能
利用超声波模块实时检测前方障碍物的距离。当距离小于设定的阈值时，平衡车能够自动识别障碍物并执行相应的避障动作，如停止、后退或转向，确保车辆的安全行驶，避免碰撞事故的发生。如前面附上视频演示
避障使用超声波传感器，用于检测前面障碍
2.4 环境监测功能
通过 I2C 接口实时采集温湿度数据，了解周围环境的温度和湿度情况。同时，利用 ADC 接口采集可燃气体信息数据，对环境中的可燃气体进行监测，及时发现潜在的安全隐患，为安全防护提供重要依据。传感器安装位置
巴法云端效果如下：
2.5 车况信息显示
使用 LVGL 设计的仪表盘实时显示车况信息，包括速度、电量、行驶方向等。通过清晰直观的界面，用户可以随时掌握平衡车的运行状态，便于进行监控和管理。
2.6 远程监控与数据传输
借助蓝牙上网功能，支持 lwip 网络协议栈，使用 TCP 协议与巴法云对接。将车况信息和控制信息实时上传至巴法云，方便后台进行查看和监控。同时，也能够接收来自云端的控制指令，实现远程控制功能。打开log窗口看到log信息，按我们软件流程如下
数据周期性上报log明细
3 系统硬件设计
3.1 核心主控芯片
选择富芮坤 FR3068x-C 作为核心主控芯片。该芯片具备高性能的 MCU core，拥有丰富的外设接口以及内置的蓝牙功能，能够满足自动巡逻平衡车的控制和通信需求，为整个系统的稳定运行提供强大的硬件支持。如下是富芮坤芯片的详细参数说明：
3.2 语音模块
采用支持离线识别的语音模组，ASR-PRO语音模块，通过 UART1 与主控芯片通信。语音模块能够识别用户的指令，如唱歌、讲笑话、控制灯、控制行走等，并通过串口输出对应的指令信息，主控芯片接收到指令后进行解析和处理，实现语音控制功能。安装在了平衡车侧边，结构如下：
代码逻辑如下：
3.3 超声波避障模块
选用 HC-SR04 超声波模块，用于检测前方障碍物。该模块具有测量距离远、精度高、稳定性好的特点。通过发射和接收超声波信号，计算障碍物距离，为自动避障功能提供准确的数据支持。模块控制原理如下
3.4 温湿度传感器
选用 DHT10 支持 I2C 接口的温湿度传感器，实时采集环境温湿度信息。这些传感器具有响应速度快、精度高、稳定性好的特点，能够准确地反映周围环境的温湿度变化。模块如下
3.5 可燃气体传感器
使用 MQ 系列传感器 MQ-2，通过 ADC 接口与主控芯片连接，检测可燃气体浓度。该系列传感器对可燃气体具有较高的灵敏度和选择性，能够在环境中可燃气体浓度超标时及时发出警报。该传感器跟DHT10在同一个小板上
3.6 驱动控制芯片
电机控制部分单独放在STM32上去出路，驱动芯片使用L298N，通过 UART2 与主控芯片通信。驱动控制芯片能够根据主控芯片发送的指令，精确控制平衡车的行走和转向动作，保证车辆的平稳运行。同时也分担了FR3068的负担，两者配合工作，共同完成整车的运动逻辑
3.7 显示屏
使用 FR3068x-C 板载的显示屏，搭配 LVGL 图形库设计仪表盘。显示屏能够清晰地显示车况信息和环境数据，为用户提供直观的车辆状态信息。
3.8 蓝牙模块
利用 FR3068x-C 芯片内置的蓝牙功能，无需额外的蓝牙模块。通过配置和编程，实现蓝牙通信功能，用于与手机、平板等设备连接，以及与巴法云进行数据传输。3.9 电源管理模块
电源使用12V的锂电池供电，使用电源稳压芯片稳压到5V电平以及3.3V电平。为整个系统提供稳定可靠的电源供应。考虑到平衡车的移动性和便携性，电源模块采用锂电池供电，并配备相应的充电电路和电池保护电路，确保电池的安全和使用寿命。4 系统软件设计
4.1 自由实时操作系统选择
基于 FreeRTOS 系统，创建多个独立线程，分别处理不同的功能模块，实现多任务并发运行。通过合理的任务调度和优先级设置，确保系统的实时性和稳定性。另外数据结构也尤为重要，车身信息变量以及温湿度 超声波测距等等都存放在结构体中，便于调用。
系统选用RTOS层如下
车辆状态信息以及lvgl实时更新变量部分同时存放在_Blance_CarInfo_数据结构中，方便管理
4.2 语音对话功能实现
在独立线程中使用 UART1 与语音模块进行实时通讯。通过语音模块识别用户的指令，如唱歌、讲笑话、控制灯、控制行走等，并根据指令执行相应的操作。语音模块可通过串口输出对应的指令信息，主控芯片接收到指令后进行解析和处理，实现语音控制功能。数据协议转发部分代码
接收到指令后调整姿势部分逻辑
4.3 超声波避障算法
通过超声波模块实时检测前方障碍物距离。当距离小于设定阈值时，平衡车自动执行避障动作，如停止、后退或转向。算法需要综合考虑车辆的速度、行驶方向以及障碍物的位置等因素，确保避障动作的准确性和安全性。避障调整姿势部分逻辑
4.4 温湿度及可燃气体信息采集
通过 I2C 接口实时采集温湿度传感器的数据，获取环境温湿度信息。使用 ADC 采集可燃气体传感器的数据，获取可燃气体浓度信息。将采集到的环境数据发送给其他线程，以便在仪表盘上显示或上传至云端。main函数中配置了初始化后，周期性采集
周期性上报按对应数据格式来创建不同指针指向，防止数据出错现象出现
4.5 车辆控制与驱动通信
使用 UART2 与驱动控制芯片通讯，实时采集车况信息，如电机转速、电池电量等。根据采集到的信息和用户的控制指令，发送相应的控制指令给驱动控制芯片，实现平衡车的行走、转向等动作。通过超声波模块检测前方障碍物距离，当距离小于设定阈值时，自动执行避障动作。数据获取后解析逻辑如下
超声波采集部分做了滤波算法，防止瞬间的抖动和数据跳变导致姿势调整误判
避障和姿势调整部分逻辑如下，根据测速值判断是否卡电机，根据超声波值判断是否接近障碍
4.6 仪表盘设计
在独立线程中使用 LVGL 设计仪表盘界面，显示车况信息（如速度、电量、行驶方向等）和环境数据（如温湿度、可燃气体浓度等）。根据实时数据更新仪表盘上的显示内容，为用户提供直观的车辆状态信息。lvgl画面仪表盘显示全在fr_lv_instrument_panel中实现，绘制效果逻辑如下：
数据更新时，在refresh_timer_cb中获取到对应id即可重新更新到
4.7 蓝牙通信与巴法云对接
使用蓝牙上网功能，基于 lwip 层，通过 TCP 协议与巴法云进行对接。实时将车况信息和控制信息上报至巴法云，便于后台查看和监控车辆状态。同时，也可接收来自云端的控制指令，实现远程控制功能。LwIP是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。如下是lwip层位置
Tcp连接以及周期上报在同个线程中，蓝牙连接网络存在多次尝试连接过程，这部分逻辑在app_tcpModelInfo.c文件中来实现功能
云端上报字段对应变量存放mTcpInfo列表中，按顺序一条条周期上报，单独使用一个线程完成
5 系统集成与测试
5.1 系统集成
将硬件和软件部分进行集成，确保各个模块之间的正常通信和协作。通过连接器和线缆将各个硬件组件连接起来，并加载相应的软件程序，使系统能够正常运行。包括调试期间查看通讯抓串口打印，确保通讯数据正常
5.2 功能测试
对平衡车的各项功能进行逐一测试，包括语音对话、自动避障、环境监测、车况信息显示和远程监控等。通过实际操作和模拟测试环境，验证功能的正确性和可靠性。5.3 性能测试
测试平衡车的性能指标，如行驶速度、续航时间、避障响应时间、环境数据采集精度等。通过对比设计目标和实测数据，评估系统的性能表现，找出可能存在的问题并进行优化。5.4 稳定性测试
进行长时间的稳定性测试，观察系统在长时间运行过程中的表现，如是否会出现死机、数据丢失、通信中断等问题。通过稳定性测试，确保系统能够在各种复杂环境下稳定运行。6 结论与展望
6.1 研究成果总结
本项目基于富芮坤 FR3068x-C 设计了一款智能自动巡逻平衡车，实现了语音对话、自动避障、环境监测、车况信息显示和远程监控等多种功能。通过硬件和软件的精心设计与优化，使平衡车具备高性能、高可靠性、易用性和良好的扩展性，满足了不同场景下的应用需求。6.2 存在问题与未来改进方向
在调试过程中，发现系统存在一些不足之处，如语音识别的准确率有待进一步提高，环境数据采集的精度和实时性需要优化，远程监控的延迟问题亟待解决等。未来，将针对这些问题进行深入研究和改进，同时探索更多的功能拓展，如图像识别、人脸识别、室内导航等，进一步提升平衡车的智能化水平和应用场景。此外本次项目中使用的超声波传感器，使得小车只检测到前面环境情况是否有障碍，后续可以考虑使用激光雷达方式，检测到周边360度障碍情况。进一步做优化算法
6.3 应用前景展望
基于富芮坤 FR3068x-C 的智能自动巡逻平衡车具有广泛的应用前景。在安防领域，可以用于巡逻监控、警戒预警等；在物流领域，可以实现货物搬运、货物跟踪等；在服务行业，可以提供导游导览、餐厅服务等。随着技术的不断发展和完善，智能自动巡逻平衡车期待会在各个领域发挥越来越重要的作用，为人们的生活和工作带来更多的便利和惊喜。
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