CN102060020A - 一种儿童电动车安全行驶自动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种儿童电动车安全行驶自动控制装置及其控制方法。本发明的特点在于：一种儿童电动车安全行驶自动控制装置，包括电瓶、速度踏板、控制单元、驱动马达、制动装置、输入单元、距离传感器，其特征在于：所述控制单元内存储有预先设定好的行驶模式；所述装置利用输入单元进行行驶模式选择；本发明根据儿童年龄和操作熟练程度预先设定行驶模式，方便使用者选择适合自身的行车速度，为使用者提供了更加安全的行车环境。使得电动车可以在启动时逐渐加速、制动时逐渐减速，解决了现有儿童电动车骤然启动、骤然制动过程中的惯性对儿童身体上的伤害。本发明使得电动车在行驶时，可感知地形和障碍物，在行驶过程中也能最大限度地保障儿童安全。

Description

一种儿童电动车安全行驶自动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电动车安全行驶自动控制装置及其控制方法，特别涉及一种自动控制儿童电动车从初始状态逐渐加速，继而按照预设速度定速行驶，遇到非正常路面渐进减速行驶或紧急制动的装置和方法。

背景技术

现有的儿童电动车利用电瓶和马达驱动，儿童通过方向盘控制电动车行驶。当电动车启动和制动时，会出现骤驶、骤停的现象，容易引发碰撞。此外，现有的儿童电动车，没有根据儿童的年龄和驾驶熟练程度预先设定行驶模式，不能适应不同年龄和驾驶熟练程度的使用者需求；现有儿童电动车处于斜坡路面时，在无人操作的情况下，会发生溜滑事故；在行进过程中遇到障碍物或凹坑时采用调整方向的方式避让，而不能自动减速或紧急制动。由于儿童身体发育不成熟，对外部碰撞的抵抗能力不足，其脊椎和神经系统很容易因此受到损害。

发明内容

本发明旨在提供一种可以控制儿童电动车安全驾驶的自动控制装置，此装置设有多种行车模式，这些行车模式以儿童年龄和驾驶熟练程度为设计基准。不同年龄，不同驾驶熟练程度的儿童可以选择适合自己的行车模式。

本发明的另一个目的在于提供一种解决儿童电动车骤然启动、骤然静止的装置，以减少骤驶、骤停时的惯性对儿童身体上的伤害。 

本发明还有一个目的在于提供一种用于儿童电动车的，可感知地形和障碍物，在无人控制的情况下，当电动车遇到斜坡、凹坑、障碍物等非正常路况时，可以自动根据情况选择减速行驶或紧急制动的装置。 

本发明最后一个目的在于提供一种用于儿童电动车安全行驶自动控制的方法。

       为实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种儿童电动车安全行驶自动控制装置，包括电瓶、速度踏板、控制单元、驱动马达、制动装置、输入单元、距离传感器、，其特征在于：所述控制单元内存储有预先设定好的行驶模式；所述装置利用输入单元进行行驶模式选择；所述控制单元可以接收、发送信号，通过发送脉宽调制信号控制驱动马达逐渐加速行驶、逐渐减速行驶以及以行驶模式的预设速度定速行驶，通过对比距离传感器测定的数据与预设安全数据的大小继而发送信号控制驱动马达或制动装置，通过监测车速、车轮回转方向、行驶动力，继而发送信号控制驱动马达或制动装置。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置，其特征在于：设有位于车体前方和/或后方的行进方向距离传感器；设有位于车体底部前端和/或后端的路面高度距离传感器。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置，其特征在于：根据儿童年龄和驾驶熟练程度设定行驶模式；每种行驶模式设有一个速度上限；每种行驶模式由一个加速阶段、一个定速阶段和一个减速阶段组成；各行驶模式的加速度特征曲线斜率相同。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：使用者通过输入单元选择相应的行驶模式，并将已选定的行驶模式传达到控制单元；然后，施加作用力于加速踏板，发生行驶信号；控制单元接收到行驶信号，发送脉冲宽度逐渐增加的PWM信号到驱动马达；继而，驱动马达运转，带动车体按照已选定的行驶模式逐渐加速行驶；当控制单元发送的PWM信号的脉冲宽度达到预先设定的脉冲宽度，控制单元持续发送预先设定的脉冲宽度到驱动马达，车体以预设速度匀速行驶；当施加于加速踏板的力被移除，或施加作用力于减速踏板，继而行驶信号中断，控制单元发送脉冲宽度逐渐减少的PWM信号到驱动马达，驱动马达的回转数逐渐减少，带动车体减速行驶。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制单元内存储有预先设定的第一安全距离和最小安全距离；当所述行进方向距离感应传感器感应到障碍物，将测定的车体与障碍物间距离反馈到控制单元，控制单元将此距离与预先设定的第一安全距离进行比较，如果车体与障碍物间的距离大于第一安全距离，则车体维持当前速度运行；如果车体与障碍物间距离在预先设定的第一安全距离和最小安全距离之间，控制单元发出脉冲宽度逐渐减小的PWM信号，驱动马达接收信号后，回转数减少，带动儿童电动车减速行驶；当速度减小到一定程度，控制单元发送信号到电瓶，电瓶断开与驱动马达连接的电源，车体减速行驶，最终完全停止；如果车体与障碍物间距离小于最小安全距离时，控制单元则立即中断发送到驱动马达的信号，并发出信号到制动装置，制动装置强制车体紧急制动。车体减速行驶或紧急制动停止之后，控制单元持续一定时间未收到距离传感器的反馈信号，则发出指令到驱动马达，驱动车体按照既定的行驶模式继续行驶。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制单元内预先存储有路面高度安全距离，其数值为车体底面与基准路面的高度差或车体与基准路面的高度差加上一定的数值。；所述路面高度距离感应传感器实时测定车体底面和地面之间的距离，并反馈给控制单元。如果该距离大于安全高度，控制单元继而发送信号到制动装置，制动装置强制车体紧急制动。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：控制单元感应车轮的回转方向，并判定车轮回转方向与驱动马达回转方向是否一致，若不一致，控制单元则发送信号到制动装置，制动装置强制车体紧急制动。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：控制单元感知车体行驶，而此时驱动马达并未提供车体行驶动力，控制单元也并未发送行驶信号，控制单元发则送信号到制动装置，制动装置强制车体紧急制动。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：当实际行驶速度与选定的行驶模式预设最大速度相比，超过最大速度，控制单元发出信号到驱动马达，控制车体减速行驶。

所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：当实际行驶速度与选定的行驶模式预设最大速度相比，超过最大速度，控制单元发出信号到制动装置，制动装置强制车体紧急制动。

本发明的有益效果为

（1）    本发明根据儿童年龄和操作熟练程度预先设定行驶模式，方便使用者选择适合自身的行车速度，为使用者提供了更加安全的行车环境。

（2）    本发明使得电动车可以在启动时逐渐加速、制动时逐渐减速，解决了现有儿童电动车骤然启动、骤然制动过程中的惯性对儿童身体上的伤害。 

（3）    本发明使得电动车在行驶时，可感知地形和障碍物。当电动车遇到斜坡、凹坑、障碍物等非正常路况时，可以自动根据不同情况选择减速行驶或紧急制动，在行驶过程中也能最大限度地保障儿童安全。

附图说明

图1是电动车安全行驶自动控制装置构成图

图2是距离传感器构成图

图3是预先设定的混合模式行驶脉宽调制信号图 

图4是混合模式行驶速度变化图表 

图5是电动车加速、减速行驶时脉宽调制信号图

图6是电动车在特定行驶模式下的控制流程图

图7是电动车遇到非正常路况、障碍物时的控制流程图。

实施例

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：

以儿童电动车控制单元内预先存储了三种行驶模式为例。

控制单元3内预先设定了行驶模式1、行驶模式2、行驶模式3的行驶速度上限Vs，具体描述为Vs1,Vs2,Vs3； 控制单元3内还预先设定了与各行驶模式的速度上限Vs相对应的脉冲宽度Ws,具体描述为Ws1,Ws2,Ws3。例如，使用者通过输入单元7选择行驶模式1时，控制单元3发出脉冲宽度为Ws1的PWM信号，如图3所示。驱动马达4收到此信号，以已设定的回转数运转，从而带动车体按照VS1速度行驶。同理，当使用者通过输入单元7选择行驶模式2或行驶模式3时，控制单元3发出脉冲宽度为Ws2或Ws3的PWM信号，驱动马达4收到相应脉冲宽度的信号后，则以已经设定的相应回转数运转，从而驱动车体以VS2或VS3速度行驶。所述各行驶模式，是以儿童的年龄和驾驶熟练程度作为设计依据的。

进一步，所述行驶模式中，预先设定的行驶速度Vs，是一个速度区间的最大速度。所述速度区间，包括加速阶段、定速阶段和减速阶段。所述加速阶段，以到车体静止不动或速度未达到预设速度Vs为初始状态。当使用者踩踏加速踏板2时，通过内设与控制单元3连接的电路，发出行驶信号。控制单元3接收到此信号后，根据使用者已选定的行驶模式，发送脉冲宽度逐渐增加的PWM信号给驱动马达4，驱动马达4回转数逐渐增加，带动儿童电动车逐渐加速；当脉冲宽度到达预设值Ws，或行驶速度增加至最大速度Vs，控制单元3则按既定行驶模式的预设脉冲宽度Ws，持续发出脉冲宽度相同的 PWM信号到驱动马达4，使得车体以该模式的预设最大速度Vs行驶。当使用者希望停车，将脚从加速踏板2上移开，此时，通过内设电路发出行驶中断信号，继而，控制单元3发送脉冲宽度逐渐减小的PWM信号给驱动马达4，驱动马达4回转数逐渐减少，使得车体逐渐减速，直到车体停止；除上述减速方法之外，使用者也可以做如下操作：即当速度降低到一定程度时，控制单元3将切断电瓶（10）输出至驱动马达4的电源，车体速度进一步减小，直到停止。

上述控制电动车加速、定速、减速的流程图如图6所示。首先，使用者通过输入单元7选择一个行驶模式，并将已选定的行驶模式传达到控制单元3。然后，使用者踩踏加速踏板2，发送行驶信号到控制单元3，控制单元3接受到相应行驶模式的行驶信号后，发送PWM信号到驱动马达4，驱动马达4运转，带动车体行驶。加速阶段是这样实现的：控制单元3接收到行驶信号，则发出如图5所示的，脉冲宽度逐渐增的PWM信号到驱动马达4，驱动马达4回转数逐渐增加，实现车体逐渐加速行驶。当控制单元3发出的PWM信号的脉冲宽度，已达到该行驶模式的脉冲宽度WS，例如：在行驶模式1时达到Ws1，行驶模式2时达到的Ws2，行驶模式3时Ws3，脉冲宽度将不再增加，此时，车体完成从初始状态逐渐加速至设定速度，完成加速阶段，继而进入定速行驶阶段。另外，具体实施中，也可以采用监测车体实际运行速度的方式来控制加速阶段向定速阶段的转换，即当车体行驶速度已达到该行驶模式的最大速度时，继而在控制单元3的控制下，使得车体进入定速行驶阶段。在定速行驶阶段，控制单元3持续发出脉冲宽度为（WS）的PWM信号到驱动马达4，驱动马达4定速运转，带动车体以速度VS做匀速运动。当车体在加速阶段或者定速阶段，控制单元3一直监视行驶信号的持续状况。在加速阶段中，如果使用者将脚从加速踏板2上移开，此时，加速踏板2就会中断发送给控制单元3的信号；同理，在定速行驶阶段，如果使用者将脚从加速踏板2上移开，此时，加速踏板2也会中断发送到控制单元3的信号。行驶信号中断后，控制单元3将发送脉冲宽度逐渐减少的PWM信号到驱动马达4，驱动马达4的回转数逐渐减少，带动车体减速行驶。具体实施中，也可以通过设置减速踏板来发送中止行驶的信号，继而在控制单元3控制下，使得车体逐渐减速或紧急停止。如此，车体完成加速行驶阶段、定速行驶阶段、减速行驶阶段，在整个行驶过程中，三个阶段循环往复进行。

车体行进方向前后端的设有行进方向传感器，在行驶中，上述传感器实时监测路面状况，并将测定的距离反馈到控制单元3。当控制单元判定，车体与障碍物间距离小于预先设定的安全距离，控制单元将中断发送PWM信号，从而使得车体速度逐渐减小或或车体被强制制动，控制流程见图7。具体而言，控制单元3内预先存储有第一安全距离DS1和最小安全距离DS2。使用者通过输入单元7选定行驶模式后，踩踏加速踏板2发出行驶信号，此时，控制单元3控制驱动马达4带动车体行驶，行进方向距离传感器81持续监测车体行进方向路面是否有障碍物。如果传感器81感知有障碍物，则将车体与该障碍物间的距离D传送给控制单元3。控制单元3将此距离D与预先设定的第一安全距离DS1做比较，如果距离D大于DS1，则保持当前速度行驶；如果距离D小于预先设定的第一安全距离DS1，但大于最小安全距离DS2，控制单元3将发出脉冲宽度逐渐减小的PWM信号到驱动马达4，驱动马达4逐渐减少回转数，带动车体逐渐减速行驶；如果距离D小于最小安全距离DS2，控制单元3则发送信号到制动装置6，制动装置6将采取强制制动措施，在最短时间内使车体停止行驶。上述第一安全距离的计算依据为：在某一行驶模式下，车体由预先设定的加速度减速行驶的状态下，速度由最大速度VS降低为零，所需要经过的路程。最小安全距离DS2以DS1为依据，比DS1更小。当车体减速行驶或紧急停止之后，若行进方向距离传感器感知前方障碍物消失，即控制单元3持续一定时间未收到距离传感器的反馈信号，则发出指令到驱动马达4，使得车体重新加速，直至达到该模式的预设速度，继续行驶。

车体行进方向前后端的设有行进方向传感器，车体底部前端和/或后端，设有高度方向路面传感器。在行进中，上述传感器实时监测路面状况，并将测定的距离反馈到控制单元（30）。如果感应器测定的车体与障碍物间距离小于预先设定的安全距离、测定的车体底部与路面之间的距离大于预先设定的安全距离时，控制器将中断行驶性号，减速行驶或强制制动，控制流程见图6。具体而言，控制单元3内预先存储有路面高度安全距离DH，其数值为车体底面与基准路面的高度差。路面高度距离感应传感器82实时测定车体底面和地面之间的距离D，并反馈给控制单元3。如果D大于DH，控制单元3则判定，车体行进方向前方地形可能是凹下去的坑，此时，控制单元3发出信号到制动装置6，制动装置6使得车体紧急停止。进一步，考虑到地形的多种情况，上述安全距离的设定可能为：车体与基准路面的高度差，再加上一定的数值。

在具体实施中，车体可能处于斜坡之上，且处于无人控制的状态，由于自身重力作用沿斜坡下滑，为防止车体自行下滑发生危险，本发明的解决方案为：在驱动马达并未提供车体行驶动力，控制单元3也并未发送行驶信号，但车体却在行驶的情况下，控制单元3则认定车体处于非正常的行驶状态，控制单元3发送信号到制动装置6，制动装置采取强制制动措施，使车体紧急停止行驶。另外一种实施方式为，控制单元3感知车轮回转方向与驱动马达4回转方向不一致，则发送信号到制动装置6，制动装置采取强制制动措施，使车体紧急停止行驶。具体而言，当驱动马达4的回转方向为顺时针，而车轮的回转方向为逆时针时，控制单元3则发送信号到制动装置6，继而制动装置6使得车体紧急停止；再有一种实施方式为：当实际行驶速度与选定的行驶模式预先设定速度相比，明显过高时，控制单元3可以发出指令到驱动马达4或制动装置6，控制车体减速行驶或者紧急停止。具体而言，当车体处于斜坡上并沿斜坡向下行驶时，在其自身重力和驱动发达4动力的合力作用下，车体行驶速度会超过选定模式的最大速度，这时，控制单元3可以发送脉冲宽度逐渐减小得PWM信号到驱动马达4，使得其带动车体减速行驶；也可以发送信号到制动装置6，使得车体紧急停止。这样可以克服在无人控制的情况下，车体行驶在类似斜坡等非正常路面时给儿童带来危险，最大程度地保障使用者的安全。

Claims (10)

1.一种儿童电动车安全行驶自动控制装置，包括电瓶（1）、速度踏板（2）、控制单元（3）、驱动马达（4）、制动装置（6）、输入单元（7）、距离传感器（8）、，其特征在于：所述控制单元（3）内存储有预先设定好的行驶模式；所述装置利用输入单元（7）进行行驶模式选择；所述控制单元（3）可以接收、发送信号，通过发送脉宽调制信号控制驱动马达（4）逐渐加速行驶、逐渐减速行驶以及以行驶模式的预设速度定速行驶，通过对比距离传感器（8）测定的数据与预设安全数据的大小继而发送信号控制驱动马达（4）或制动装置（6），通过监测车速、车轮回转方向、行驶动力，继而发送信号控制驱动马达（4）或制动装置（9）。

2.根据权利要求1所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置，其特征在于：设有位于车体前方和/或后方的行进方向距离传感器（81）；设有位于车体底部前端和/或后端的路面高度距离传感器（82）。

3.根据权利要求1所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置，其特征在于：根据儿童年龄和驾驶熟练程度设定行驶模式；每种行驶模式设有一个速度上限；每种行驶模式由一个加速阶段、一个定速阶段和一个减速阶段组成；各行驶模式的加速度特征曲线斜率相同。

4.根据权利要求1所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：使用者通过输入单元（7）选择相应的行驶模式，并将已选定的行驶模式传达到控制单元（3）；然后，施加作用力于加速踏板（21），发生行驶信号；控制单元（3）接收到行驶信号，发送脉冲宽度逐渐增加的PWM信号到驱动马达（4）；继而，驱动马达（4）运转，带动车体按照已选定的行驶模式逐渐加速行驶；当控制单元发送的PWM信号的脉冲宽度达到预先设定的脉冲宽度，控制单元（3）持续发送预先设定的脉冲宽度（WS）到驱动马达（4），车体以预设速度（VS）匀速行驶；当施加于加速踏板（21）的力被移除，或施加作用力于减速踏板（22），继而行驶信号中断，控制单元（3）发送脉冲宽度逐渐减少的PWM信号到驱动马达（4），驱动马达（4）的回转数逐渐减少，带动车体减速行驶。

5.根据权利要求1和2所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制单元（3）内存储有预先设定的第一安全距离DS1和最小安全距离DS2；当所述行进方向距离感应传感器（81）感应到障碍物，将测定的车体与障碍物间距离D反馈到控制单元（3），控制单元（3）将车体与障碍物间距离D与预先设定的安全距离DS1进行比较，如果车体与障碍物间的距离D大于安全距离DS1，则车体维持当前速度运行；如果车体与障碍物间距离D在预先设定的第一安全距离DS1和最小安全距离DS2之间，控制单元（3）发出脉冲宽度Ws逐渐减小的PWM信号，驱动马达（4）接收信号后，回转数减少，带动儿童电动车减速行驶；当速度减小到一定程度，控制单元（3）发送信号到电瓶（1），电瓶（1）断开与驱动马达（4）连接的电源，车体减速行驶，最终完全停止；如果车体与障碍物间距离D小于第二安全距离DS2，控制单元（3）则立即中断发送到驱动马达（4）的信号，并发出信号到制动装置（6），强制车体紧急制动；车体减速行驶或紧急制动停止之后，控制单元（3）持续一定时间未收到距离传感器（8）的反馈信号，则发出指令到驱动马达（4），驱动车体按照既定的行驶模式继续行驶。

6.根据权利要求1和2所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制单元(3)内预先存储有路面高度安全距离DH，其数值为车体底面与基准路面的高度差，或车体与基准路面的高度差加上一定的数值；所述路面高度距离传感器(82)实时测定车体底面和地面之间的距离D，并反馈给控制单元(3)；如果D大于安全高度DH，控制单元(3)继而发送信号到制动装置(6)，制动装置(6)强制车体紧急制动。

7.根据权利要求1所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：控制单元(3)感应车轮的回转方向，并判定车轮回转方向与驱动马达(4)回转方向是否一致，若不一致，控制单元(3)则发送信号到制动装置(6)，制动装置(6)强制车体紧急制动。

8.根据权利要求1所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：控制单元(3)感知车体行驶，而此时驱动马达(4)并未提供车体行驶动力，控制单元(3)也并未发送行驶信号，控制单元(3) 则发送信号到制动装置(6)，制动装置(6)强制车体紧急制动。

9.根据权利要求1和权利要求4所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：当实际行驶速度与选定的行驶模式预设最大速度(VS)相比，超过最大速度(VS)，控制单元(3)发出信号到驱动马达(4)，驱动马达(4)控制车体减速行驶。

10.根据权利要求1和权利要求4所述所述的儿童电动车安全行驶自动控制装置的控制方法，其特征在于：当实际行驶速度与选定的行驶模式预设最大速度(VS)相比，超过最大速度(VS)，控制单元(3)发出信号到制动装置(6)，制动装置(6)强制车体紧急制动。

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