CN104991477B - 一种载人平衡车控制方法及一种载人平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载人平衡车控制方法及一种载人平衡车，方法包括以下步骤：A:载人平衡车的三个微控制器分别接收传感器采集的数据，并进行数据共享；B:判断各微控制器采集的数据之间的偏差;C:如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异超过预定阀值，则在另外两个微控制器中选择一个，将载人平衡车输入和输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器。本发明通过三个微控制器的评判和控制权抢夺，有效避免或减少了因某一微控制器异常而带来的控制失误，显著提高了平衡车的安全性能和用户的使用体验。

Description

一种载人平衡车控制方法及一种载人平衡车

技术领域

本发明涉及载人平衡车领域，尤其涉及一种载人平衡车控制方法及一种载人平衡车。

背景技术

载人平衡车是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具，是都市用交通工具的一种。两轮式的载人平衡车有下面几个特点和意义：

1)载人平衡车只要驾骑者改变身体重心即可操纵，载人平衡车会因为重心的改变而改变运动方向，通过改变操纵杆的左右移动就可以实现车轮差速变向。

2)载人平衡车体积小，质量轻，结构不复杂。用大量的小电子元器件去替代了传统的机械结构，使得控制更加灵敏、精准。可以灵活的穿行于狭小的公路里，典型应用包括代步工具、出游旅行、智能轮椅，军事作战等，在军用和民用领域均有着广泛的应用前景。

一件申请号为201210104067.0、申请日为2012-04-11、发明名称为《自平衡电动载人独轮车》的中国发明专利，公开了一种载人平衡车，该载人平衡车为独轮车，包括车架、把手、车座、脚踏板、车轮、轮毂电机、控制器和电池组，控制器包括车体姿态感应系统、车体姿态控制系统和电机驱动系统，车体姿态感应系统负责检测车体的实时前后倾斜角度和倾斜速度，车体姿态控制系统根据检测得到的车体倾斜值运用平衡算法算出补偿倾斜量，经电机驱动系统控制轮毂电机向车体倾斜方向输出相应的扭矩，驱动车轮向车体倾斜方向前进。该平衡车车结构简单、重量轻，控制方式简单，但是其只有一个控制器，一旦该控制器异常则很容易导致车辆失衡，对用户带来安全隐患。部分安全级别较高的平衡车具有两个微控制器，即采用一个微控制器去监控另一微控制器是否异常，一旦异常则使用另一微控制器进行控制，然而这样的做法缺乏实际作用，在同一个环境下的微控制器发生程序跑飞的概率是一样的，无法从根本上提高载人平衡车的安全性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种载人平衡车控制方法及载人平衡车，有效提高安全性能。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：

本发明提供了一种载人平衡车控制方法，包括以下步骤：

A:载人平衡车的三个微控制器分别接收传感器采集的数据，并进行数据共享；

B:判断各微控制器采集的数据之间的偏差；

C:如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则在另外两个微控制器中选择一个，将载人平衡车输入和输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器。

进一步地，所述步骤A中，数据共享的具体方法为；在同步时钟信号的控制下，每个所述微控制器定时将数据写入指定的空间。

进一步地，所述步骤B中，判断各微控制器采集的数据之间的偏差的方法为：每个所述微控制器同时将数据写入指定的空间后，读取其他微控制器采集的数据，并判断各微控制器采集的数据之间的偏差。

优选地，所述步骤C中，如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，还将该任一微控制器复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控。

优选地，所述步骤C中:如果三个微控制器采集的数据之间的差异都超过预定阈值，则输出异常信号。

本发明还保护了一种载人平衡车，包括传感器、驱动电路、存储器和三个微控制器，所述三个微控制器连接所述传感器和驱动电路，所述三个微控制器还连接所述存储器；

所述三个微控制器分别用于接收传感器采集的数据，并在所述存储器中进行数据共享；

所述微控制器中的至少一个用于判断各微控制器采集的数据之间的偏差,如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则在另外两个微控制器中选择一个，将与所述传感器相连的输入信号通道和与所述驱动电路相连的输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器。

进一步地，还包括相连的时钟信号发生器和分频器，用于将为所述三个微控制器提供时钟信号，使其在同步时钟信号的控制下，定时将数据写入所述存储器中指定的空间。

优选地，还包括缓冲器或分配器，连接在所述微控制器与所述传感器相连的输入信号通道上，以及与所述驱动电路相连的输出信号通道上。

优选地，所述三个微控制器中，一个通过I 2C协议读取三轴数字加速度计、三轴数字陀螺仪的数据，一个通过SP I协议读取六轴惯性传感器的数据，另一个通过ADC单元读取单轴模拟加速度计和单轴模拟陀螺仪的数据。

进一步地，还包括与所述三个微控制器相连的人机界面，如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，还将该任一微控制器复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控并在面板进行显示。

本发明的载人平衡车使用了三个微控制器，利用无主机方式通过一个SRAM进行数据共享、互相监控和评判、控制权抢夺和修复功能，有效避免或减少了因某一微控制器异常而带来的控制失误，显著提高了平衡车的安全性能和用户的使用体验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种实施例的载人平衡及控制方法总体流程图；

图2是本发明一种实施例的载人平衡车控制框图；

图3是本发明一种实施例的载人平衡车具体控制框图；

图4为本发明一种实施例的载人平衡车中SRAM存储区间分配图；

图5为本发明一种实施例的载人平衡车三个微控制器的状态对比图。

具体实施方式

本发明提供的技术方案主要针对平衡类的车辆，主要为载人平衡车，通常情况下这类的车辆由于是靠微控制器进行平衡的维持，所以在微控制器方面的稳定性要求特别高。

本发明的主要构思为：对传统采用一个或者两个微控制器的方式进行改进，通过三个微控制器同时作为核心部分，在运行过程中，如果发现任一微控制器数据采集或者运算出现异常，另外两个微控制器即可通过一定的方式争夺控制权，只要另外两个微控制器运行正常，意味着载人平衡车出现故障的时候就有二分之一的概率是可以成功避免故障的,显著提高了车辆的安全性能，减少了安全隐患。

具体地，如图1所示，本发明提供的一种载人平衡车控制方法，该载人平衡车具有三个微传感器，控制方法包括以下步骤：

载人平衡车开始启用后的初始状态下，由于具有三个微控制器，因此通过人为或者出厂设置设定三个微控制器的优先级，默认设置其中优先级最高的微控制器具有控制权。

步骤S01:载人平衡车的三个微控制器分别接收传感器采集的数据，并进行数据共享。数据包括车体角度、车体速度、驱动温度、电池电压、电机电流等表征载人平衡车运行状态的信息，由相应的传感器检测获得。这些传感器的数量和种类可根据具体需要进行选择，例如可包括三轴数字加速度计、三轴数字陀螺仪、六轴惯性传感器、单轴模拟加速度计、单轴模拟陀螺仪、温度传感器、电压采集电路、电流采集电路等。每次采集的数据实时存储在载人平衡车特定的存储器内，并可向其他两个微控制器共享，例如存储器可为SRAM(StaticRandom Access Memory：静态随机存取存储器)，该SRAM可具有多个存储区间，每个存储区间保存一个微控制器采集的数据。

步骤S02，根据各微控制器采集和共享的数据，判断各微控制器采集的数据之间的偏差。具体实践中，有时由于系统瘫痪、传感器损坏、微控制器死循环等原因，会导致某一微控制器数据采集的出错或无法实时更新，那么该数据必然会不同于其他正常的微控制器采集的数据，本步骤主要用于判断是否有一个或多个微控制器出现异常。

本实施例中，为了提高判断的准确性，各微控制器在同步时钟信号的控制下定时将数据写入SRAM指定的空间内，实时保证输出的数据是极为接近的，并进行同步共享和判断。由于每个微控制器均可以将采集的数据实时写入自己指定的空间，并同时可以读取其他两个空间的数据，然后在每个微控制器里就会开始进行三者采集的数据的比较判断。

考虑到安全因素，本步骤对数据的判断主要体现在车体角度上，也就是说有些实施例中，可仅对车体角度进行判断，有些实施例中，可对多个数据进行判断。

当然作为一种可替代的方式，判断的主体还可以为三个微控制器中指定的一个，或者可以为另外一个专门的微控制器，同样可以达到以上效果。

步骤S03:根据以上判断结果，确定是否其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，如果是则进入步骤S04，否则回到步骤S01继续进行数据采集和判断。具体阈值大小可根据数据类型、经验值等确定。以车体角度为例，如果预定车体角度的差异阈值为3度，某时刻1号微控制器采集的当前的车体角度为30度，2号和3号微控制器采集的当前的车体角度分别为25度和25.1度，则表明1号微控制器采集的车体角度与另外两个微控制器采集的车体角度之间的差异均超过预定阈值。

步骤S04：表明一个微控制器发生异常，此时需要从另外两个微控制器中选择一个取得载人平衡车的控制权，需要将载人平衡车输入和输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器。如果初始状态下设置的微控制器与该选择的微控制器不同，则进行切换，否则，保持该微控制器。

选择时，可根据事先分配好的优先级进行控制权抢夺，最后将载人平衡车输入和输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器，即，通过输出电平对选择器进行数据通道的切换，将输出信号通道和输入信号通道切换到该微控制器，使得载人平衡机后续采集准确的数据，并对驱动电路进行准确控制。对于出现异常的微控制器，可以立即进行复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控提示用户。

本步骤中，从另外两个微控制器中选择一个取得载人平衡车的控制权时，事先分配优先级的方式可灵活确定，例如约定当1号微控制器出现异常时，在2号和3号微控制器中选择2号微控制器具有控制权；约定当2号微控制器出现异常时，在1号和3号微控制器中选择1号微控制器具有控制权；约定当3号微控制器出现异常时，在1号和2号微控制器中选择1号微控制器具有控制权，当然还可用其他的方式分配优先权。

但本步骤中，如果三个微控制器采集的数据之间的相互差异都超过预定阈值，表明三个微控制器中至少有两个异常，那么系统就会出现误判了，此时三个微控制器的判断机制已经失效，应当立即输出异常信号至主控的人机界面或者采取刹车、减速等安全停车措施。

如图2所示，本发明的载人平衡车的控制系统主要包括传感器(图上未画出)、驱动电路40、存储器20、三个微控制器10、输入信号通道(图上未画出)和输出信号通道30。其中，三个微控制器10都连接传感器和驱动电路40，三个微控制器10还连接存储器20。

具体地，各微控制器10分别通过输入信号通道连接相应的传感器，以获取各传感器采集的实时数据，并在所述存储器中进行数据共享；各微控制器还通过输出信号通道30连接相应的驱动电路40，以对载人平衡车进行实时控制。

根据具体需要，各微控制器10能够判断各微控制器采集的数据之间的偏差,如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则在另外两个微控制器中选择一个，将与传感器相连的输入信号通道和与驱动电路相连的输出信号通道切换至该选择的微控制器10。

当然有些替代方案中，可只选择其中一个或两个微控制器10进行以上偏差判断。

如图3所示，一种具体的实施中，载人平衡车的控制系统包括以下组成部分：

1号微控制器、2号微控制器和3号微控制器为32位微控制器，即以上所述的三个微控制器。根据具体需要，三个微控制器可与相同的传感器连接，或者与不同的传感器连接，例如图中三个微控制器中，一个通过I2C(Inter－Integrated Circuit：两线式串行总线)协议读取三轴数字加速度计、三轴数字陀螺仪的数据，一个通过SPI(Serial PeripheralInterface:串行外设接口)协议读取六轴惯性传感器的数据，另一个通过ADC(Ana l og-to-Digital Converter：模数转换器)单元读取单轴模拟加速度计和单轴模拟陀螺仪的数据。各微控制器还可连接电流采集电路和电压采集电路以分别获取驱动电机电流和电池电压，还可连接温度传感器获取驱动电机温度。

DC-DC变换电源为整个系统板供给电源。

时钟信号发生器包括时钟发生电路，依次连接分频器和脉冲分配器，用于为三个微控制器提供时钟信号，使其在同步时钟信号的控制下，定时将数据写入所述存储器中指定的空间。具体地，时钟信号发生器和分频器产生1ms左右的周期脉冲，利用脉冲分配器将时钟同步到三个微控制器上，使三个微控制器能够定时、同步将数据写入SRAM进行共享，并同步读回其他各微控制器写入的数据。

三个微控制器通过SRAM共享数据，并对数据进行判断，如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则立即根据事先分配好的优先级抢夺系统输出控制权，并可以通过复位控制线对出错的单片机进行复位控制，通过串口将数据传给人机界面的主控。

本方案还包括缓冲器或分配器，连接在微控制器与传感器相连的输入信号通道上，以及与所述驱动电路相连的输出信号通道上，这样保证了三个微控制器可以代入同样的参数进行计算，达到控制输出量同步，不至于出现系统切换过程中的大幅度摆动，使得系统出现平衡失控，用户被甩出或者扑街的现象。

具体地缓冲器和分配器可包括PWM(Pu l se-Wi dth Modu l at i on脉宽调制)分配器、串口分配器、绝对式编码器分配器、增量式编码器分配器。例如PWM分配器连接在输出信号通道上，信号从微控制器连接至电机驱动器；串口分配器包括输入缓冲器和输出分配器，用于确保三个微控制器都在同时控制的情况下，把真正使用的数据进行正常输入和输出，避免信号碰撞；绝对式编码器分配器、增量式编码器分配器分别用于传输方向和速度信号。

SRAM作为存储器进行数据存储和共享，如图4所示，SRAM具有三个指定的存储区间，分别用于为1号、2号、3号微控制器提供数据存储和共享。根据需要，这些数据包括车体角度、车体速度、驱动温度、电池电压、电机电流等。

进一步地，本方案还可具有与三个微控制器相连的人机界面，如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，还将该任一微控制器复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控并在面板进行显示。人机界面的控制面板可设在车把手或其他位置，该面板上设置了蓝牙接口，可用于与手机和PC等进行智能化交互。当控制器出现异常时，可通过RS232协议将出错报告写入人机界面内置的FLASH并在面板进行显示。人机界面的可触控部分通过现有的TFT模块进行驱动显示，该模块中有一个微控制器，可以对外围的一些信息和设备(例如手机)通信，并将最后的结构信息传递给TFT模块上面进行显示，显示的内容比如开关机按钮，音乐播放，速度方面的性能显示，用户定制的一些菜单等等，车子各方面的操作均变为可视化，能给用户带来很多互动的体验。

本发明的载人平衡车使用了三个微控制器，利用无主机方式通过一个SRAM进行数据共享、互相监控和评判、控制权抢夺和修复功能，有效避免或减少了因某一微控制器异常而带来的控制失误，显著提高了平衡车的安全性能和用户的使用体验。

为了更加直观地说明本发明以上载人平衡机控制方法和控制系统的安全控制效果，如图5所示，在同种环境下，三个微控制器的工作状态有表中所列的8种可能，序号从1-8，某一微控制器状态正常时标识为0，异常时标识为1。

第1和第8种情况即极端情况下，所有微控制器全都正常或全都故障。

第2、3、5情况下，一个微控制器发生故障，但是该微控制器复位后其他控制器仍然能够控制载人平衡车正常工作。

第3、6、7情况下，由于两个微控制器发生故障，因此载人平衡机整体异常二无法正常工作。

可见，8种情况下，第1、2、3、5(即全都微控制器正常和其中一个微控制器故障)能保证系统的安全使用，如果以上各情况发生的纪机率等，表明载人平衡车的可靠性达到了二分一，考虑到实际使用中两个以上微控制器故障的几率非常小，因此本发明载人平衡车的可靠性远远大于二分之一。

进一步地，本发明载人平衡车具有GPS定位功能，同时具有移动通信模块，可通过通信网络将位置信息传输给用户，实现定位跟踪防盗功能，进一步提高安全性，避免车辆被盗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种载人平衡车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A:载人平衡车的三个微控制器分别接收传感器采集的数据，并进行数据共享；初始状态下，默认其中一个微控制器具有控制权；

B:根据各微控制器采集的数据与共享的数据，判断各微控制器采集的数据之间的偏差；

C:如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则在另外两个微控制器中选择一个，将载人平衡车输入和输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器；还将该任一微控制器复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控；

如果三个微控制器采集的数据之间的差异都超过预定阈值，则输出异常信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，数据共享的具体方法为；在同步时钟信号的控制下，每个所述微控制器定时将数据写入指定的空间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，判断各微控制器采集的数据之间的偏差的方法为：每个所述微控制器同时将数据写入指定的空间后，读取其他微控制器采集的数据，并判断各微控制器采集的数据之间的偏差。

4.一种载人平衡车，其特征在于，使用权利要求1至3任意一项所述的控制方法，所述平衡车包括传感器、驱动电路、存储器和三个微控制器，所述三个微控制器连接所述传感器和驱动电路，所述三个微控制器还连接所述存储器；

所述三个微控制器分别用于接收传感器采集的数据，并在所述存储器中进行数据共享；

所述微控制器中的至少一个用于判断各微控制器采集的数据之间的偏差,如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，则在另外两个微控制器中选择一个，将与所述传感器相连的输入信号通道和与所述驱动电路相连的输出信号通道切换或保持至该选择的微控制器。

5.根据权利要求4所述的载人平衡车，其特征在于，还包括相连的时钟信号发生器和分频器，用于将为所述三个微控制器提供时钟信号，使其在同步时钟信号的控制下，定时将数据写入所述存储器中指定的空间。

6.根据权利要求5所述的载人平衡车，其特征在于，还包括缓冲器或分配器，连接在所述微控制器与所述传感器相连的输入信号通道上，以及与所述驱动电路相连的输出信号通道上。

7.根据权利要求6所述的载人平衡车，其特征在于，所述三个微控制器中，一个通过I2C协议读取三轴数字加速度计、三轴数字陀螺仪的数据，一个通过SP I协议读取六轴惯性传感器的数据，另一个通过ADC单元读取单轴模拟加速度计和单轴模拟陀螺仪的数据。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的载人平衡车，其特征在于，还包括与所述三个微控制器相连的人机界面，如果其中任一微控制器的数据与另外两个微控制器采集的数据之间的差异均超过预定阈值，还将该任一微控制器复位，并通过串口将数据传给人机界面的主控并在面板进行显示。