CN104527456A - 动平衡车及其限速控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动平衡车及其限速控制方法和系统。通过获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对；判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。由于电机脉宽调制信号实时占空比直接反应车载状态，比如驾驶者体重、驾驶习惯、路况等，因此，通过该实时占空比与占空比阈值进行比对，从而实现对车辆的限速控制。

Description

动平衡车及其限速控制方法和系统

技术领域

本发明属于车辆限速控制技术领域，具体地说，涉及一种动平衡车及其限速控制方法和系统。

背景技术

现阶段，市面上出现了动平衡车，在该动平衡车中配置有平衡控制系统来实现车辆运行过程中的平衡控制。目前，市面上出现的动平衡车主要包括两轮平衡车和独轮平衡车。对于两轮平衡车来说，由于具有左右两个轮子，与地面有两个接触点，使得左右平衡容易控制，因此平衡控制主要是前后平衡控制。对于单轮平衡车来说，由于只有一个轮子，与地面只有一个接触点，因此，其平衡控制机制较为复杂。比如，在当前的独轮平衡车控制中，通过车体内集成的平衡控制系统和电机驱动系统来实现车体的前后平衡，使用者依靠轮子两侧的脚踏板和车辆外壳上的靠腿板来保持车辆的左右平衡。

无论是上述两轮还是独轮平衡车在速度控制上，主要是依靠身体重心的前后变化实现身体倾斜，通过电机旋转速度的调节，实现车辆加速和减速，身体倾斜越厉害车辆加速越快。

但是，对于任何电机来说，在不同的车载状态下都有一个对应的最大旋转速度，当自平衡电动车的电机达到最大旋转速度后，电机将无法输出保持车辆前后平衡的额外转速或力矩，使得车辆失去自平衡能力，容易导致使用者摔倒造成意外。

为了解决上述问题，申请号为CN200780029846.6的中国专利申请公开了一种电动车辆的速度限制方法，在其方案中，限速机制主要依基于车辆稳态扭矩、加减速扭矩、车辆负载估算、车辆再生电流等，其所需测试和计算的参数和变量较多，算法复杂，在具体实现上有较大难度，适用性不强。

目前，也有直接采用基于速度测量的限速机制，即车辆速度达到预先设定的一固定限速值后就采取翘板等特定方法来限制驾驶者继续加速；或者采用结合速度和剩余电量的限速机制，用速度和剩余电量两个参数共同解算出何时应该采取限速措施。但是，这种限速方式并未考虑到由于驾驶者体重、驾驶习惯、路况等对电机实际输出旋转速度的影响，对于不同车载状态，电机可能输出不同的最大旋转角速度。例如对于120kg的驾驶者和40kg的驾驶者，对同一个车来说，电机能够达到的最高旋转速度差异很大的，如果限速值满足120kg驾驶者的安全，那么这个限速阈值对于40kg体重的人来说就过低；反之就过高，存在电机过载失去平衡的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动平衡车及其限速控制方法，用以解决现有技术中的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车限速控制方法，其包括：

获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对；判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

优选地，在本申请的一实施例中，还包括：根据驾驶者体重、车辆行驶的路面坡度、车辆的剩余电量生成电机脉宽调制信号实时占空比。

优选地，在本申请的一实施例中，根据驾驶者体重、车辆行驶的路面坡度、车辆的剩余电量生成电机脉宽调制信号实时占空比包括：

所述驾驶者体重、所述车辆行驶的路面坡度向电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加正比影响；所述车辆的剩余电量向所述电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加反比影响。

优选地，在本申请的一实施例中，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制包括：

如果电机脉宽调制信号实时占空比超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，则根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的差值，计算车辆的后仰角；根据计算出的后仰角对动平衡车进行限速控制。

优选地，在本申请的一实施例中，还包括：对计算出的后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的后仰角对动平衡车进行限速控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车限速控制方法，其包括：

获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值的比对，如果电机脉宽调制信号实时占空比超过限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值和/或车辆实时行驶速度超过设定的行驶速度阈值，则对动平衡车进行限速控制。

优选地，在本申请的一实施例中，所述电机脉宽调制信号实时占空比信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时速度与设定的速度阈值的比对，以对动平衡车进行限速控制包括：

根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的差值，计算车辆的第一后仰角；

根据车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值之间的差值，计算车辆的第二后仰角；

根据第一后仰角与所述第二后仰角，对动平衡车进行限速控制。

优选地，在本申请的一实施例中，还包括：对所述第一后仰角与所述第二后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的所述第一后仰角与所述第二后仰角对动平衡车进行限速控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车限速控制系统，其包括：控制器，用于输出电机脉宽调制信号实时占空比，处理器，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车，其包括：

至少一个车轮；

电机驱动系统，所述电机驱动系统至少用于驱动所述车轮旋转；

所述限速控制系统，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制；或者，

所述限速控制系统，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值的比对，如果电机脉宽调制信号实时占空比超过限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值和/或车辆实时行驶速度超过设定的行驶速度阈值，则对动平衡车进行限速控制。

本申请中，通过获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对；判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。由于电机脉宽调制信号实时占空比直接反应车载状态，比如驾驶者体重、驾驶习惯、路况等，因此，通过该实时占空比与占空比阈值进行比对，从而实现对车辆的限速控制。

附图说明

图1为本发明实施例一动平衡车限速控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例二中对占空比差值进行PID以及限速限幅处理的结构框图；

图3为本发明实施例三动平衡车限速控制方法流程示意图；

图4为本发明实施例四对占空比差值和速度差值分别进行PID以及限速限幅处理的结构框图；

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例一动平衡车限速控制方法流程示意图；如图1所示，其可以包括：

S101、获取电机脉宽调制信号实时占空比；

由于通过调节施加到无刷电机绕组两端的电压即绕组电压来实现对电机扭矩或转速的控制和调节。不失一般性，对电机绕组电压的调节可用以下的简化公式来描述：

V_m＝V_P×R_PWM  (1)

其中，V_m表示施加到电机绕组的电压，V_P表示电源或电池的电压，R_PWM为电机脉宽调制(PWM)信号的占空比，且满足|R_PWM|≤100％。

通过调节Rpwm信号的大小和方向，就能够调节施加到电机绕组的电压。

由此可看出，对应不同的车载状态信息并保持车辆的动态平衡，控制器输出不同的电机脉宽调制信号实时占空比。本实施例中，所述驾驶者体重、所述车辆行驶的路面坡度向所述电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加正比影响，即体重越大、路面坡度越大，实时占空比越大，反之则越小；所述车辆的剩余电量向所述电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加反比影响。换言之，在负载不变时，平衡车的速度是与电机的脉宽调制信号占空比成正比的，当负电池电量降低时，维持同样的速度实时占空比会变大。

结合上述公式(1)以及车载状态对占空比R_PWM举例来说，当驾驶者体重不同时，为达到同样速度，体重越大的人输出的实时占空比R_PWM越大，或者说电机绕组所需要的电压越高。相同体重的人在上坡时所需要的R_PWM比平地时更大。剧烈驾驶的时候所需的R_PWM比平缓驾驶时更大。当电池电量低时，电池电压会随之下降，即低电量时电池电压Vp会减小，因此低电量时为了达到同样的速度，所需要的Rpwm会随之增大。

S102、电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对获得占空比比对结果，判断电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是则执行S103，否则执行步骤S101；

本实施例中，S102可以具体包括：根据所述实时车载状态下电机输出最大旋转速度所需的绕组电压来确定限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值。

电机脉宽调制信号目标占空比阈值可以设置一个，也可以设置多个。设置一个的话比如为80％，只要实时占空比超过80％的话，则启动限速机制。如果设置多个占空比阈值的话，可以进行多级限速机制，比如占空比阈值分别为60％、70％、80％，当实时占空比超过位于60％～70％时，启动第一级限速控制，当位于70％～80％时，启动第二级限速控制，超过80％时，第三级限速控制。如果是基于翘板进行限速的话，随着限速级别的增大，翘板的程度越大。

本实施例中，根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的占空比差值，计算车辆的后仰角；

具体地，在计算车辆的后仰角时，可以通过对所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的占空比差值进行PID或PI或PD调节处理，从而计算出车辆的后仰角。

为了防止车辆后仰速度过快和/或后仰幅度过大，导致车辆失去平衡，在本实施例通过占空比差值计算出的后仰角作为目标后仰角，可以对该目标后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的目标后仰角对动平衡车进行限速控制。

由于通过PID或PI或PD调节对占空比差值进行处理输出的后仰角可能为负值，后仰角为负值表示车辆前倾，车辆会处于加速过程，但实际上目标后仰角不能为负值，所以在PID或PI或PD处理之后，对处理得到的后仰角进行取正处理，具体取正处理可以但不局限于通过取正器来实现。

S103、根据占空比比对结果对动平衡车进行限速控制。

本实施例中，对动平衡车进行限速控制具体包括：根据计算出的后仰角对动平衡车进行限速控制。具体地，可以根据计算出的后仰角控制脚踏板后仰，以对动平衡车进行限速控制；或者通过控制车辆振动来提醒驾驶者减速，以对动平衡车进行限速控制。

图2为本发明实施例二中对占空比差值进行PID以及限速限幅处理的结构框图；如图2所示，PWM实时占空比R_PWM与PWM占空比阈值R_PWM*进行比较后，其占空比差值进入PID调节器进行调节，PID调节器的输出为目标后仰角θ₁。

由于目标后仰角不能有负值，因此经过取正器进行取正，即当θ1小于0时取0，当θ₁大于零时取θ₁值：

${\mathrm{\θ}}_2=\left\{\begin{array}{c}0,{\mathrm{\θ}}_1\≤0\\ {\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1>0\end{array}\right.---\left(2\right)$

为了防止可能出现车辆后仰速度过快以及后仰幅度过大导致车辆失去平衡，对取正后的目标后仰角θ₂做进一步的限速和限幅的处理。

限速的算法如下：

${\mathrm{\&theta;}}_3=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_3+\mathrm{\&Delta;},{\mathrm{\&theta;}}_3<{\mathrm{\&theta;}}_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_3,{\mathrm{\&theta;}}_3={\mathrm{\&theta;}}_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_3-\mathrm{\&Delta;},{\mathrm{\&theta;}}_3>{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，Δ为增量式算法的后仰速度限制，优选的，后仰速度限制Δ为15°/s。

限幅的算法如下：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_3,{\mathrm{\&theta;}}_3\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\max },{\mathrm{\&theta;}}_{\max }>{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，θ_max为最大后仰角，优选地，取θ_max＝25°，θ即为最终需要控制的后仰角。

需要说明的是，上述后仰速度限制Δ和θ_max为最大后仰角大小可以根据产品的实际需求灵活设定。

图3为本发明实施例三动平衡车限速控制方法流程示意图；如图3所示，其可以包括：

S301、获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行占空比比对生成占空比差值；

S302、获取车辆实时行驶速度并与设定的行驶速度阈值进行速度比对生成速度差值；

S303、判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行占空比比对生成占空比差值，如果是，则执行步骤S304；否则执行步骤S301；

S304、根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的差值，计算车辆的第一后仰角；

S305、判断车辆实时行驶速度是否超过设定的行驶速度阈值，如果是，则执行步骤306，否则执行步骤302；

S306、根据车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值之间的速度差值，计算车辆的第二后仰角；

S307、根据占空比比对的结果和速度比对的结果对动平衡车进行限速控制。

本实施例中，根据第一后仰角与所述第二后仰角，对动平衡车进行限速控制。具体地，为了尽可能地保证安全，取第一后仰角与第二后仰角中值较大进行限速控制。

在另外一实施例中，对所述第一后仰角与所述第二后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的所述第一后仰角与所述第二后仰角对动平衡车进行限速控制。

图4为本发明实施例四对占空比差值和速度差值分别进行PID以及限速限幅处理的结构框图；如图4所示，PWM实时占空比R_PWM与PWM占空比阈值R_PWM*进行比较后，其占空比差值进入第一PID调节器进行调节，第一PID调节器的输出为第一目标后仰角θ_r1，依次经过类似图2中的处理得到θ_r2、θ_r3、θ_r。

车辆实时行驶速度S与设定的行驶速度阈值S^*进行比较后，其占空比差值进入第二PID调节器进行调节，第二PID调节器的输出为第二目标后仰角θ_s1，依次经过类似图2中的处理得到θ_s2、θ_s3、θ_s。

在对θ_r3和θ_s3经过限幅处理得到的θ_r和θ_s中取值较大者作为最终输出的后仰角θ，来进行限速控制。

本发明实施例五动平衡车限速控制装置,其可以包括：实时占空比采集单元和限速单元，其中：实时占空比采集单元用于获取电机脉宽调制信号实时占空比；限速单元用于电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

本发明实施例六动平衡车限速控制系统，其可以包括：控制器以及处理器，控制器用于输出电机脉宽调制信号实时占空比，处理器用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

本发明实施例七动平衡车，其可以包括：至少一个车轮；电机驱动系统，所述电机驱动系统至少用于驱动所述车轮旋转；限速控制系统用于检测车辆的实时车载状态，并根据所述实时车载状态，生成对应限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值，进一步用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，根据比对结果对所述电机驱动系统中电机的绕组电压进行控制，以对动平衡车进行限速控制；或者，所述限速控制系统用于检测车辆的实时车载状态，并根据所述实时车载状态，生成对应限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值，进一步用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值的比对，对所述电机驱动系统中电机的绕组电压进行控制，以对动平衡车进行限速控制。

需要说明的是，上述动平衡车中还包括有陀螺仪和角速度传感器组成的平衡控制系统，详细不再赘述。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动平衡车限速控制方法，其特征在于，包括：

获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对；判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据驾驶者体重、车辆行驶的路面坡度、车辆的剩余电量生成电机脉宽调制信号实时占空比。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据驾驶者体重、车辆行驶的路面坡度、车辆的剩余电量生成电机脉宽调制信号实时占空比包括：

所述驾驶者体重、所述车辆行驶的路面坡度向电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加正比影响；所述车辆的剩余电量向所述电机脉宽调制信号实时占空比的生成施加反比影响。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制包括：

如果电机脉宽调制信号实时占空比超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，则根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的差值，计算车辆的后仰角；根据计算出的后仰角对动平衡车进行限速控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：对计算出的后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的后仰角对动平衡车进行限速控制。

6.一种动平衡车限速控制方法，其特征在于，包括：

获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值的比对，如果电机脉宽调制信号实时占空比超过限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值和/或车辆实时行驶速度超过设定的行驶速度阈值，则对动平衡车进行限速控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电机脉宽调制信号实时占空比信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时速度与设定的速度阈值的比对，以对动平衡车进行限速控制包括：

根据所述电机脉宽调制信号实时占空比与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值之间的差值，计算车辆的第一后仰角；

根据车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值之间的差值，计算车辆的第二后仰角；

根据第一后仰角与所述第二后仰角，对动平衡车进行限速控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：对所述第一后仰角与所述第二后仰角进行限速和/或限幅处理，根据限速和/或限幅处理后的所述第一后仰角与所述第二后仰角对动平衡车进行限速控制。

9.一种动平衡车限速控制系统，其特征在于，包括：控制器，用于输出电机脉宽调制信号实时占空比，处理器，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制。

10.一种动平衡车，其特征在于，包括：

至少一个车轮；

电机驱动系统，所述电机驱动系统至少用于驱动所述车轮旋转；

所述限速控制系统，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，判断电机脉宽调制信号实时占空比是否超过电机脉宽调制信号目标占空比阈值，如果是，则根据比对结果对动平衡车进行限速控制；或者，

所述限速控制系统，用于获取电机脉宽调制信号实时占空比，并与限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值进行比对，结合车辆实时行驶速度与设定的行驶速度阈值的比对，如果电机脉宽调制信号实时占空比超过限速机制的电机脉宽调制信号目标占空比阈值和/或车辆实时行驶速度超过设定的行驶速度阈值，则对动平衡车进行限速控制。