CN103342145B - 基于无线车联网的力矩中置传感控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于无线车联网的力矩中置传感控制系统，包括中心控制单元、助力传感单元、中置电机驱动单元、智能控制终端单元与无线车联网信息传输单元，所述助力传感单元和智能控制终端单元均与所述中心控制单元相连，用于向所述中心控制单元传输电机控制信息，所述中心控制单元通过接收到的电机控制信息控制所述中置电机驱动单元的输出功率，所述无线车联网信息传输单元与所述中心控制单元串口通信连接，并将采集到的数据发送给所述中心控制单元，进行信息交换。本发明将无线车联网技术运用到电动自行车上，实现车辆与车辆、车辆与行人、车辆与城市网络之间的交互通信，有利于用户对车辆运行过程中的参数、故障诊断等信息进行实时监控。

Description

基于无线车联网的力矩中置传感控制系统

技术领域

本发明涉及电动自行车的控制系统领域，尤其是涉及一种基于无线车联网技术实现电动自行车进行通信的力矩中置传感控制系统。

背景技术

目前市场上的电动自行车按照动力来源不同主要分为两类：一类是纯电力驱动的电动自行车，其主要是通过手动调速把控制直流驱动机电的输出功率，完全依赖电机驱动自行车运行，整车对于不同路况的适应能力只能完全取决于电机的动力性能：转矩、转速特性，在低速大扭矩的迎风或爬坡等负荷比较大的情况下骑行能力受到很大限制和影响。同时这种后轮毂的机械结构还使得安装和检修的难度增大，无形也增大了使用过程中的安全隐患。加之与传统的自行车骑行方式不同且行车速度过快，因此在交通安全方面也有一定的危险性，也有可能带来新的交通问题。另一类则是以人力以主、电机驱动为辅的助力式电动自行车，这种电动车系以电力驱动并辅助人力的方式骑行。

目前国内也陆续出现了一些智能型助力电动车，其通过传感器感知人力踩自行车踏脚上力的大小、速度的大小以及脚踩旋转方向来综合控制直流驱动电机的输出功率，合理调整直流驱动电机驱动功率和人力踩驱动功率的比例，实现人机合力带动自行车运行。但这些所谓的智能助力电动车远远达不到这些技术标准，实质只是简单的助速度而非助力。这种控制方式是依据踏速信号控制车速，踏速越快，车速越高。在遇顶风或爬坡等高阻力、重载荷时，车速就低，电力驱动功率能提供的反而小，根本无法助力轻松骑行，骑行感较差，因而实质上不是真助力，无法成为主流产品打入国际市场。

同时现有的助力电动自行车即使安装再方便，仍然由较多的零部件和模块单元构成，而且骑行者在日常使用过程中也无法便捷直观地掌握到车辆相关性能的各项参数及达标情况，因此往往导致问题一旦出现，便是性质比较严重的情况，需要花费较长的时间进行排查和维修，同时也容易形成安全隐患，危害到用户的人身、财产安全。另外现有的的助力电动自行车在失窃后，往往很难再找回车辆，因此会造成财产上的损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于无线车联网的力矩中置传感控制系统，可以将电动自行车与无线车联网技术相结合，实现车辆与车辆、车辆与行人、车辆与城市网络之间的交互通信。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于无线车联网的力矩中置传感控制系统，包括中心控制单元、助力传感单元、中置电机驱动单元、智能控制终端单元与无线车联网信息传输单元，所述助力传感单元和智能控制终端单元均与所述中心控制单元相连，用于向所述中心控制单元传输电机控制信息，所述电机控制信息包括骑行者蹬踏的力矩、速度，以及助力比例；

所述中心控制单元接收到由所述助力传感单元传送过来的力矩和速度的电压模拟信号后，将两者的电压模拟信号转换成可处理的电压数字信号，并根据所述智能控制终端单元传输的助力比例信号，计算出人力的输出功率，并根据该输出功率的大小输出相对占空比的SVPWN波形，从而控制所述中置电机驱动单元的输出功率；

所述智能控制终端单元包括显示单元、系统开关单元、助力比调节单元以及RFID读卡单元，所述显示单元与中心控制单元相连，用于参数显示，所述系统开关单元用于启动整个控制系统，所述助力比调节单元用于调节助力比例大小并将其传送给所述中心控制单元，所述RFID读卡单元用于读取用户电子卡上的电子标签信息；

所述无线车联网信息传输单元与所述中心控制单元串口通信连接，所述无线车联网信息传输单元包括车载无线通讯终端、网络基站和远程监控终端，所述车载无线通讯终端将采集到的信息发送给所述中心控制单元，并通过所述网络基站传输至所述远程监控终端进行数据处理和管理；

所述车载无线通讯终端包括有源RFID单元和无源RFID单元，所述有源RFID单元通过串口与其他通信终端进行数据交换，所述无源RFID单元用于进行电子标签的识别，所述有源RFID单元为zigbee无线移动组网模块或蓝牙模块或wifi模块。

所述助力传感单元包括力矩传感器、速度传感器和力矩控制器，所述力矩传感器、速度传感器将感应到的力矩和速度传输给所述力矩控制器，所述力矩控制器对其进行处理分析后传送给所述中心控制单元。

所述智能控制终端单元与所述助力传感单元相连接，进行助力比例的传输。

所述中置电机驱动单元包括中置电机、减速装置、超越离合器、轴和链轮，所述中置电机与所述中心控制单元相连，在所述中心控制单元的控制下驱动车辆运行，所述减速装置与所述中置电机相连接，所述超越离合器设于所述轴上，所述中置电机通过带有超越离合器的轴带动链轮转动，从而驱动车辆前行。

所述无源RFID单元为非接触式远距离智能卡，用于进行电子标签的身份认证和识别。

本发明的的有益效果是：(1)实现了电动自行车以人力为主、电动驱动为辅的助力模式，能够根据力矩、速度等信息精确控制电机进行比例行助力，符合世界上多数国家及地区对于电动自行车的标准和交通法规的要求，节能、环保；(2)将无线车联网技术与电动自行车结合，能够实现车辆与车辆、车辆与行人、车辆与城市网络之间的交互通信，有利于用户对车辆运行过程中的参数、故障诊断等信息进行实时监控；(3)无线车联网技术实现身份认证功能，有利于车辆的防盗监管。

附图说明

图1是本发明基于无线车联网的力矩中置传感控制系统的模块示意图；

图2是中置电机输出功率Pmax与速度V之间的关系示意图；

图3是本发明基于无线车联网的力矩中置传感控制系统实现身份认证的原理示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

结合图1所示，本发明所揭示的一种基于无线车联网的力矩中置传感控制系统，利用中置电机驱动单元与助力传感单元以实现人机合作的节能、环保的骑行方式，并且可智能地调节电机输出功率和行车速度；同时无线车联网技术的应用提高了用户对车辆的掌握情况，有利于对车辆性能的实时监控，纯电动自行车和智能型电动自行车均可与该无线车联网技术结合，实现通信。所述基于无线车联网的力矩中置传感控制系统包括中心控制单元、助力传感单元、中置电机驱动单元、智能控制终端单元和无线车联网信息传输单元。

其中，所述助力传感单元与所述中心控制单元相连，用于采集骑行者蹬踏时的力矩和速度，并将其转换为电压模拟信号传送给所述中心控制单元，包括力矩传感器、速度传感器和力矩控制器，所述力矩传感器和速度传感器分别用于感应骑行者蹬踏时的力矩和速度，所述力矩控制器用于对所述力矩和速度进行处理分析，并将其转换成电压模拟信号后传送给所述中心控制单元。

所述智能控制终端单元一般设置于助力自行车的车把上，当然也可以设置在助力自行车的其他部位，用于调节助力比例的大小和进行电子标签信息的比对，包括显示单元、系统开关单元、助力比调节单元和RFID(无线射频识别)读卡单元，所述显示单元与中心控制单元相连，用于将电量等参数可视化地显示在屏幕上，便于人机交互；所述系统开关单元用于启动整个控制系统；所述助力比调节单元与所述中心控制单元相连，用于调节设定助力比例的大小，并将助力比例传送给中心控制单元；所述RFID读卡单元通过串口与所述中心控制单元进行通信，可以读取骑行者电子标签上的信息，与录入的电子标签信息做比对，完全匹配时，则所述中心控制单元控制开启车辆，由此实现车主认证的功能，如图3所示，智能控制终端单元可以读取电子卡(如公交卡)上的标签信息，实现车辆身份的认证。

所述中置电机驱动单元用于驱动助力自行车进行工作，包括中置电机、减速装置、超越离合器、轴和链轮，所述中置电机与所述中心控制单元相连接，所述减速装置与所述中置电机相连接，所述超越离合器设于所述轴上，所述中置电机通过带有超越离合器的轴带动链轮转动，从而驱动车辆前行。

所述中心控制单元接收到由所述助力传感单元传送过来的力矩和速度的电压模拟信号后，将两者的电压模拟信号转换成可处理的电压数字信号，并根据所述助力比调节单元传输的助力比例信号，计算出人力的输出功率，并根据该输出功率的大小输出相对占空比的SVPWN(空间矢量脉宽调制)波形，从而控制所述中置电机的输出功率，实现电力辅助人力骑行的功能。

所述中心控制单元对助力自行车的骑行速度分两个阶段进行管理。具体来说，定义力矩为T，速度为V，人力的输出功率为P1，中置电机的输出功率为P2，助力比例为a，中置电机输出的额定值为Pmax，所述中心控制单元根据公式P1＝T*V/9.55，首先计算出人力的输出功率P1；其次再根据公式P2＝P1*a＝T*V*a/9.55，计算出中置电机的输出功率。如当助力比调节单元输出的助力比例a＝1时，中置电机的输出功率P2＝人力的输出功率P1；当助力比例a＝2时，中置电机的输出功率P2＝2*人力的输出功率P1。当P2＞中置电机输出的额定值Pmax时，P2＝Pmax。

下面以速度在0-20km/h和20km/h～40km/h两个阶段、电机输出的额定值Pmax＝250W为例，来描述Pmax与速度V的关系如图2所示，当速度V在0-20km/h之间时，则Pmax＝250W，当速度V在20km/h～40km/h区间内，Pmax成线性逐渐减至零，超过40km/h后，电机不再提供输出功率，即当骑行速度越来越大时，电机提供的功率将会越来越小，这样在一定程度上控制了助力自行车的行驶速度，提高了骑行的安全系数，相反，当骑行速度设定在安全范围之内时，中置电机则会驱动助力自行车行驶，实现电力辅助人力骑行的功能。

所述无线车联网信息传输单元与所述中心控制单元串口通信连接，用于检测车辆运行过程中的各种状态参数值以及骑行者的身份识别信息，并与所述中心控制单元进行数据通信。包括车载无线通讯终端、网络基站和远程监控终端，所述车载无线通讯终端用于读取其他通讯终端(如手持智能遥控终端)的电子信息标签上的数据，如图3所示，所述无线车联网信息传输单元可以读取手持智能遥控终端带有的电子信息标签上的数据，进行模式选择、身份认证方式等的切换。且与所述智能控制终端单元配合，可以实现多种开启车辆的方式，包括电子卡开启、钥匙开启、钥匙和电子卡同时匹配开启，具体工作方式可以通过手持智能遥控终端进行设置。

所述车载无线通讯终端一方面将读取的数据传输给所述中心控制单元进行通信，另一方面经所述网络基站传输给所述远程监控终端，提供车辆实时的运行参数(如电池电量剩余情况、电机运转情况等)，实时跟踪和记录每辆车的运行情况，为助力自行车的质量提高和改进设计提供依据。同时还提供故障诊断及记录等信息，缩短故障响应时间及维修时间，并能通过对车辆运行参数的评估，对故障进行预测，预防和杜绝重大事故的发生，提高车辆使用的安全性。所述车载无线通讯终端还可以通过与车辆内部的锂电池上的电子标签进行认证，若锂电池内部的电子标签与车辆已录入的信息相匹配则可开启电源，若匹配不正确则实施异常报警或者远程锁车等措施，防止车辆被盗。

所述车载无线通讯终端包括有源RFID单元和无源RFID单元，所述有源RFID单元采用2.4Gzigbee无线移动组网模块或蓝牙模块或wifi模块，可实现与其他通信终端远距离地进行数据交换，并可实现点对点、点对多点、多点对多点、分布式对等的网络拓扑结构，便于组网。所述无源RFID单元采用超高频925MHz波段的非接触式远距离智能卡，可以进行近距离的电子标签的身份认证和识别。

所述远程监控终端用于实现PC机对车辆运行状态和信息的监测和管理，并可实现对所述中心控制单元进行参数设定和修改，使得车辆与远程监控终端之间能够实时、高效和双向地进行信息交换，并能对车辆的属性信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有助力自行车的运行状态进行有效地监管和提供综合服务。比如助力自行车模式参数的设定，传统的电动车辆一般通过限速线来设置模式参数，这样操作非常不方便，本发明只需启动手持智能遥控终端的模式切换按钮，实现与所述远程监控终端的通信，即可实现参数的修改和设定，操作方便、缩短了参数修改的周期。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.基于无线车联网的力矩中置传感控制系统，其特征在于，包括中心控制单元、助力传感单元、中置电机驱动单元、智能控制终端单元与无线车联网信息传输单元，所述助力传感单元和智能控制终端单元均与所述中心控制单元相连，用于向所述中心控制单元传输电机控制信息，所述电机控制信息包括骑行者蹬踏的力矩、速度，以及助力比例；

所述中心控制单元接收到由所述助力传感单元传送过来的力矩和速度的电压模拟信号后，将两者的电压模拟信号转换成可处理的电压数字信号，并根据所述智能控制终端单元传输的助力比例信号，计算出人力的输出功率，并根据该输出功率的大小输出相对占空比的SVPWN波形，从而控制所述中置电机驱动单元的输出功率；

所述智能控制终端单元包括显示单元、系统开关单元、助力比调节单元以及RFID读卡单元，所述显示单元与中心控制单元相连，用于参数显示，所述系统开关单元用于启动整个控制系统，所述助力比调节单元用于调节助力比例大小并将其传送给所述中心控制单元，所述RFID读卡单元用于读取用户电子卡上的电子标签信息；

所述无线车联网信息传输单元与所述中心控制单元串口通信连接，所述无线车联网信息传输单元包括车载无线通讯终端、网络基站和远程监控终端，所述车载无线通讯终端将采集到的信息发送给所述中心控制单元，并通过所述网络基站传输至所述远程监控终端进行数据处理和管理；

所述车载无线通讯终端包括有源RFID单元和无源RFID单元，所述有源RFID单元通过串口与其他通信终端进行数据交换，所述无源RFID单元用于进行电子标签的识别，所述有源RFID单元为zigbee无线移动组网模块或蓝牙模块或wifi模块。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述助力传感单元包括力矩传感器、速度传感器和力矩控制器，所述力矩传感器、速度传感器将感应到的力矩和速度传输给所述力矩控制器，所述力矩控制器对其进行处理分析后传送给所述中心控制单元。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述智能控制终端单元与所述助力传感单元相连接，进行助力比例的传输。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述中置电机驱动单元包括中置电机、减速装置、超越离合器、轴和链轮，所述中置电机与所述中心控制单元相连，在所述中心控制单元的控制下驱动车辆运行，所述减速装置与所述中置电机相连接，所述超越离合器设于所述轴上，所述中置电机通过带有超越离合器的轴带动链轮转动，从而驱动车辆前行。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述无源RFID单元为非接触式远距离智能卡。