CN103191558A - 电动自平衡单轮滑板车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动自平衡单轮滑板车，通过动态平衡原理对滑板车进行姿态平衡控制，采用角速度传感器进行倾斜角速度检测，采用加速度传感器进行倾斜角度检测，通过卡尔曼滤波运算模块将倾角数值和角速度数值进行卡尔曼滤波运算，融合计算出滑板车在静止状态和高速运动状态下的准确倾角数值，再经逻辑运算计算出维持滑板车架平衡时所需的平衡电压控制信号；同时，将电机设定速度与电机实际转速进行PID运算，并根据PID运算结果输出用于控制电机速度的速度电压控制信号，平衡电压控制信号和速度电压控制信号经叠加后通过PWM接口电路输出给电机驱动电路，从而使滑板车自平衡运行，使驾驶者行驶更加安全。

Description

电动自平衡单轮滑板车
技术领域
本发明涉及单轮滑板车领域，特别涉及一种电动自平衡单轮滑板车。
背景技术
滑板车是继传统滑板之后的又一滑板运动的新型产品形式，是一种简单的省力运动器械，是青少年们喜欢的运动产品之一，还可作为交通工具使用。随着电动车的发展，也开发出了电动式的滑板车，作为交通工具使用时更加方便、省力。现有的滑板车一般拥有两个或两个以上的轮子，带有两个以上轮子的滑板车其自身是平衡的，从而驾驶者驾驶滑板车时无需技巧就可保持平衡，不会摔倒。但是，轮子的个数导致了车身重力的增加，滑板车作为小型产品，其重力的增加不方便使用者搬动；其次，带有一个或两个轮子的滑板车其自身是不平衡的，驾驶时，需要技巧来保持身体及车身平衡，不能实现车身自平衡行驶。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种电动自平衡单轮滑板车，实现电动单轮滑板车的自平衡行驶功能和加速功能，使电动滑板车行驶更加安全。
本发明提出一种电动自平衡单轮滑板车，包括滑板车架、安装于所述滑板车架背面的车轮、用于驱动所述车轮转动的电机、用于控制所述电机动力输出的控制电路板以及电源模块，还包括用于测量所述电机转速的转速传感器，在所述控制电路板上设有用于检测所述滑板车架的倾斜角度的加速度传感器和用于测量所述滑板车架倾斜的角速度的角速度传感器，所述控制电路板包括微处理器CPU和电机驱动电路，所述电机驱动电路与所述电机连接，所述微处理器CPU通过PWM接口电路与所述电机驱动电路连接，所述加速度传感器、所述角速度传感器的输出端通过模数转换接口与所述微处理器CPU连接，所述转速传感器的输出端与所述微处理器CPU连接；
所述加速度传感器用于将检测到的加速度电压信号经所述模数转换接口输出给所述微处理器CPU；
所述角速度传感器用于将检测到的角速度电压信号经所述模数转换接口输出给所述微处理器CPU；
所述模数转换接口用于将所述加速度电压信号和所述角速度电压信号转换成相应的加速度数值和角速度数值；
所述转速传感器用于测量所述电机的转速，并将测量所得的电机转速信号输出给所述微处理器CPU；
所述微处理器CPU用于将输入的加速度数值进行系数转换形成倾角数值，将所述倾角数值和所述角速度数值进行卡尔曼滤波运算，计算出所述滑板车架的准确倾角数值，将所述准确倾角数值进行逻辑运算，计算出维持所述滑板车架平衡所需运行的速度的平衡电压控制信号；同时，将所述电机转速信号进行PID调速控制，根据PID运算结果输出用于控制电机速度的速度电压控制信号，所述平衡电压控制信号和所述速度电压控制信号经叠加后通过所述PWM接口电路输出给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路根据叠加的控制信号驱动所述电机转动，使所述滑板车自平衡运行。
优选地，所述微处理器CPU包括用于对加速度数值进行系数转换的比例系数转换模块、用于对所述倾角数值和所述角速度数值进行卡尔曼滤波运算的卡尔曼滤波运算模块、用于将所述准确倾角数值进行逻辑运算的逻辑运算模块、用于对电机速度进行PID运算控制的PID速度控制模块以及用于将所述平衡电压控制信号和所述速度电压控制信号进行信号叠加的信号叠加模块，所述加速度传感器经所述模数转换接口与所述比例系数转换模块连接，所述比例系数转换模块与所述卡尔曼滤波运算模块连接；所述角速度传感器经所述模数转换接口与所述卡尔曼滤波运算模块连接；所述卡尔曼滤波运算模块的输出端与所述逻辑运算模块连接，所述逻辑运算模块的输出端与所述信号叠加模块连接，所述转速传感器的输出端与所述PID速度控制模块连接，所述PID速度控制模块的输出端与所述信号叠加模块连接；所述信号叠加模块的输出端与所述PWM接口电路连接。
优选地，所述加速度传感器为倾角传感器，所述转速传感器为光电编码器，所述光电编码器轴接在所述电机的输出轴上，所述光电编码器的输出端通过所述微处理器CPU的计数器端口与所述PID速度控制模块连接。
优选地，所述PWM接口电路包括两个PWM接口，一个PWM接口用于输出控制所述电机正转的PWM控制信号，另一个PWM接口用于输出控制所述电机反转的PWM控制信号。
优选地，所述微处理器CPU还包括超速保护模块，所述超速保护模块的输入端通过所述微处理器CPU的计数器端口与所述光电编码器的输出端连接，用于接收所述电机的速度；所述超速保护模块的输出端与所述PID速度控制模块连接，在所述超速保护模块内设有最大保护速度，当检测到接收到的电机速度超过所述最大保护速度时，所述超速保护模块控制所述PID速度控制模块输出用于减速的PWM控制信号，使所述电机驱动电路的输出电压减小。
优选地，在所述控制电路板上设有蜂鸣器，所述超速保护模块与所述蜂鸣器连接，当检测到接收到的电机速度超过所述最大保护速度时，所述超速保护模块驱动所述蜂鸣器发声。
优选地，所述电机通过一传动结构带动所述车轮转动，所述传动结构为链传动结构，包括主动链轮、从动链轮及链条，所述主动链轮与所述电机的输出轴轴接，所述从动链轮与所述车轮轴接，所述链条安装在所述主动链轮与所述从动链轮上，并与所述主动链轮与所述从动链轮啮合。
优选地，所述滑板车架为长条型滑板车架，所述车轮安装在所述滑板车架的中央平衡点上。
本发明电动自平衡单轮滑板车的有益效果为：本发明通过动态平衡原理对滑板车进行姿态平衡控制，采用角速度传感器对滑板车架进行倾斜角速度检测，采用加速度传感器对滑板车架进行倾斜角度检测，并将检测出来的角速度电压信号和加速度电压信号经模数转换接口转换成角速度数值和加速度数值，比例系数转换模块将加速度数值进行系数转换，将加速度数值转换成滑板车架倾斜的倾角数值，再通过卡尔曼滤波运算模块将倾角数值和角速度数值进行卡尔曼滤波运算，使两检测数值融合计算出滑板车在静止状态和高速运动状态下的准确倾角数值，从而可根据该准确倾角数值经逻辑运算计算出维持滑板车架平衡时所需的平衡电压控制信号；同时，将所述电机转速信号进行PID调速控制，将电机设定速度与电机实际转速进行PID运算，并根据PID运算结果输出用于控制电机速度的速度电压控制信号，平衡电压控制信号和速度电压控制信号经叠加后通过PWM接口电路输出给电机驱动电路，所述电机驱动电路根据叠加的控制信号驱动电机转动，平衡电压控制信号使滑板车始终保持平衡，速度电压控制信号使滑板车在设定的速度范围内运行，从而使滑板车自平衡运行，使驾驶者行驶更加安全。
附图说明
图1为本发明电动自平衡单轮滑板车的一实例的左视图；
图2为本发明电动自平衡单轮滑板车的一实例的立体图；
图3为本发明电动自平衡单轮滑板车的一实例的右视图；
图4为本发明电动自平衡单轮滑板车的一实例的电路框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图4，提出本发明的一种电动自平衡单轮滑板车的一实施例，该电动自平衡单轮滑板车包括滑板车架10、安装于滑板车架10背面的车轮11、用于驱动车轮11转动的电机12、用于控制电机12动力输出的控制电路板14以及电源模块13，滑板车架10为长条型滑板车架10，车轮11安装在滑板车架10的中央平衡点上，电源模块13为控制电路板14及电机12供电。该电机12为减速电机12，减速电机12通过链传动结构带动车轮11转动，该链传动结构包括主动链轮、从动链轮及链条，主动链轮与电机12的输出轴轴接，从动链轮与车轮11轴接，链条安装在主动链轮与从动链轮上，并与主动链轮与从动链轮啮合，电机12工作时，电机12带动主动链轮转动，主动链轮带动链条转动，链条带动从动链轮转动，从动链轮带动车轮11转动，实现电机12带动车轮11转动。控制电路板14上设有电机驱动电路15，电机驱动电路15与电机12连接，电机驱动电路15输出驱动电压来驱动电机12工作。
本发明通过动态平衡原理对滑板车进行姿态平衡控制，可通过测量滑板车架10倾斜时的倾斜角度来计算出车轮11所需的加速度，从而通过车轮11的加速运动来产生于车架倾斜方向相反的回复力，使滑板车架10保持平衡。为测量滑板车架10倾斜时的倾斜角度，在控制电路板14上设有用于检测滑板车架10的倾斜角度的加速度传感器21和用于测量滑板车架10倾斜的角速度的角速度传感器22，控制电路板14还包括微处理器CPU，微处理器CPU通过PWM接口电路30与电机驱动电路15连接，加速度传感器21、角速度传感器22的输出端通过模数转换接口23与微处理器CPU连接。在电机12输出轴上安装有用于测量电机12转速的转速传感器27，该转速传感器27为光电编码器，光电编码器轴接在电机12的输出轴上，光电编码器的输出端与微处理器CPU的计数器端口28连接，光电编码器对微处理器CPU的计数器端口28直接输出数字脉冲信号，微处理器CPU通过计数器端口28在固定时间内对输入的数字脉冲信号的个数进行累积，从而计算出电机12的转速。在电机12正转时，光电编码器输出正转脉冲信号，电机12反转时，光电编码器输出反转脉冲信号；正转脉冲信号和反转脉冲信号的波形相同，而相位相差90°，即在电机12正转时，第二个脉冲落后90°；在电机12反转时，第二个脉冲超前90°，从而判断电机12的转动方向。加速度传感器21为倾角传感器，用于将检测到的加速度电压信号经模数转换接口23输出给微处理器CPU；角速度传感器22用于将检测到的角速度电压信号经模数转换接口23输出给微处理器CPU；模数转换接口23用于将加速度电压信号和角速度电压信号转换成相应的加速度数值信号和角速度数值信号；转速传感器27用于测量电机12的转速，并将测量所得的电机12转速信号输出给微处理器CPU；微处理器CPU用于接收加速度数值信号、角速度数值信号和电机12转速信号，并根据所接收的信号对电机驱动电路15输出相应的PWM控制信号，来控制电机12转动。
微处理器CPU包括用于对加速度数值信号进行系数转换的比例系数转换模块24、卡尔曼滤波运算模块25、逻辑运算模块26、PID速度控制模块29以及信号叠加模块20，加速度传感器21经模数转换接口23与比例系数转换模块24连接，比例系数转换模块24与卡尔曼滤波运算模块25连接；角速度传感器22经模数转换接口23与卡尔曼滤波运算模块25连接；卡尔曼滤波运算模块25的输出端与逻辑运算模块26连接，逻辑运算模块26的输出端与信号叠加模块20连接，转速传感器27的输出端通过计数器端口28与PID速度控制模块29连接，PID速度控制模块29的输出端与信号叠加模块20连接；信号叠加模块20的输出端与PWM接口电路30连接，PWM接口电路30与电机驱动电路15连接，PWM接口电路30用于对电机驱动电路15输出相应的PWM控制信号。
微处理器CPU将输入的加速度数值信号通过比例系数转换模块24进行系数转换，将加速度数值信号转换成滑板车架10倾斜时的倾角数值信号；输出的倾角数值信号和角速度数值信号输入卡尔曼滤波运算模块25进行卡尔曼滤波运算，计算出滑板车架10的准确倾角数值；输出的准确倾角数值输入逻辑运算模块26进行逻辑运算，计算出维持滑板车架10平衡所需运行加速度的平衡电压控制信号；同时，将电机12转速信号进行PID调速控制，将电机12设定速度与光电编码器检测到的电机12实际转速进行PID运算，并根据PID运算结果输出用于控制电机12速度的速度电压控制信号，平衡电压控制信号和速度电压控制信号经信号叠加模块20叠加后通过PWM接口电路30输出给电机驱动电路15，所述电机驱动电路15根据叠加的控制信号驱动电机12转动，平衡电压控制信号使滑板车始终保持平衡，速度电压控制信号使滑板车在设定的速度范围内运行，从而使滑板车自平衡运行，使驾驶者行驶更加安全。
上述的PWM接口电路30包括两个PWM接口，一个PWM接口用于输出控制电机12正转的PWM控制信号，另一个PWM接口用于输出控制电机12反转的PWM控制信号，用于控制电机12的正、反转，从而使滑板车向前或向后运动。由于，设有姿态平衡控制，从而，可通过控制滑板车架10倾斜方向来控制滑板车的行驶方向，通过控制滑板车架10的倾斜角度来使电机12加速。如，驾驶者使滑板车架10向前方倾斜，则滑板车为了达到平衡姿态，微处理器CUP会控制PWM接口电路30输出一个用于向前加速运行的平衡电压控制信号，从而使滑板车向前行驶；驾驶者使滑板车架10向后方倾斜，则滑板车为了达到平衡姿态，微处理器CUP会控制PWM接口电路30输出一个用于向后加速运行的平衡电压控制信号，从而使滑板车向后行驶，方便控制。而且，当滑板车需改变行驶方向时，可通过驾驶者改变身体重心来带动滑板车转向，使驾驶者增添驾驶乐趣。
微处理器CPU还包括超速保护模块，超速保护模块的输入端通过微处理器CPU的计数器端口28与光电编码器的输出端连接，用于接收电机12的速度；超速保护模块的输出端与PID速度控制模块29连接，在控制电路板14上设有蜂鸣器，超速保护模块与蜂鸣器连接。在超速保护模块内设有最大保护速度，当检测到接收到的电机12速度超过最大保护速度时，超速保护模块会驱动蜂鸣器发声，提醒驾驶者注意安全；同时，超速保护模块会控制PID速度控制模块29输出用于减速的PWM控制信号，使电机驱动电路15的输出电压减小，从而降低车轮11的行驶速度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动自平衡单轮滑板车，包括滑板车架、安装于所述滑板车架背面的车轮、用于驱动所述车轮转动的电机、用于控制所述电机动力输出的控制电路板以及电源模块，其特征在于，还包括用于测量所述电机转速的转速传感器，在所述控制电路板上设有用于检测所述滑板车架的倾斜角度的加速度传感器和用于测量所述滑板车架倾斜的角速度的角速度传感器，所述控制电路板包括微处理器CPU和电机驱动电路，所述电机驱动电路与所述电机连接，所述微处理器CPU通过PWM接口电路与所述电机驱动电路连接，所述加速度传感器、所述角速度传感器的输出端通过模数转换接口与所述微处理器CPU连接，所述转速传感器的输出端与所述微处理器CPU连接；
所述加速度传感器用于将检测到的加速度电压信号经所述模数转换接口输出给所述微处理器CPU；
所述角速度传感器用于将检测到的角速度电压信号经所述模数转换接口输出给所述微处理器CPU；
所述模数转换接口用于将所述加速度电压信号和所述角速度电压信号转换成相应的加速度数值和角速度数值；
所述转速传感器用于测量所述电机的转速，并将测量所得的电机转速信号输出给所述微处理器CPU；
所述微处理器CPU用于将输入的加速度数值进行系数转换形成倾角数值，将所述倾角数值和所述角速度数值进行卡尔曼滤波运算，计算出所述滑板车架的准确倾角数值，将所述准确倾角数值进行逻辑运算，计算出维持所述滑板车架平衡所需运行的速度的平衡电压控制信号；同时，将所述电机转速信号进行PID调速控制，根据PID运算结果输出用于控制电机速度的速度电压控制信号，所述平衡电压控制信号和所述速度电压控制信号经叠加后通过所述PWM接口电路输出给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路根据叠加的控制信号驱动所述电机转动，使所述滑板车自平衡运行。
2.根据权利要求1所述的电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述微处理器CPU包括用于对加速度数值进行系数转换的比例系数转换模块、用于对所述倾角数值和所述角速度数值进行卡尔曼滤波运算的卡尔曼滤波运算模块、用于将所述准确倾角数值进行逻辑运算的逻辑运算模块、用于对电机速度进行PID运算控制的PID速度控制模块以及用于将所述平衡电压控制信号和所述速度电压控制信号进行信号叠加的信号叠加模块，所述加速度传感器经所述模数转换接口与所述比例系数转换模块连接，所述比例系数转换模块与所述卡尔曼滤波运算模块连接；所述角速度传感器经所述模数转换接口与所述卡尔曼滤波运算模块连接；所述卡尔曼滤波运算模块的输出端与所述逻辑运算模块连接，所述逻辑运算模块的输出端与所述信号叠加模块连接，所述转速传感器的输出端与所述PID速度控制模块连接，所述PID速度控制模块的输出端与所述信号叠加模块连接；所述信号叠加模块的输出端与所述PWM接口电路连接。
3.根据权利要求2所述的电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述加速度传感器为倾角传感器，所述转速传感器为光电编码器，所述光电编码器轴接在所述电机的输出轴上，所述光电编码器的输出端通过所述微处理器CPU的计数器端口与所述PID速度控制模块连接。
4.根据权利要求3所述电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述PWM接口电路包括两个PWM接口，一个PWM接口用于输出控制所述电机正转的PWM控制信号，另一个PWM接口用于输出控制所述电机反转的PWM控制信号。
5.根据权利要求3或4所述电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述微处理器CPU还包括超速保护模块，所述超速保护模块的输入端通过所述微处理器CPU的计数器端口与所述光电编码器的输出端连接，用于接收所述电机的速度；所述超速保护模块的输出端与所述PID速度控制模块连接，在所述超速保护模块内设有最大保护速度，当检测到接收到的电机速度超过所述最大保护速度时，所述超速保护模块控制所述PID速度控制模块输出用于减速的PWM控制信号，使所述电机驱动电路的输出电压减小。
6.根据权利要求5所述电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，在所述控制电路板上设有蜂鸣器，所述超速保护模块与所述蜂鸣器连接，当检测到接收到的电机速度超过所述最大保护速度时，所述超速保护模块驱动所述蜂鸣器发声。
7.根据权利要求1所述的电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述电机通过一传动结构带动所述车轮转动，所述传动结构为链传动结构，包括主动链轮、从动链轮及链条，所述主动链轮与所述电机的输出轴轴接，所述从动链轮与所述车轮轴接，所述链条安装在所述主动链轮与所述从动链轮上，并与所述主动链轮与所述从动链轮啮合。
8.根据权利要求1所述的电动自平衡单轮滑板车，其特征在于，所述滑板车架为长条型滑板车架，所述车轮安装在所述滑板车架的中央平衡点上。
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