CN105083432A

CN105083432A - 一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平衡控制方法

Info

Publication number: CN105083432A
Application number: CN201510529006.2A
Authority: CN
Inventors: 熊蔡华; 刘恒; 艾永恒
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN105083432B

Abstract

本发明公开了一种站坐两用式的双轮自平衡车，包括车主体，车主体包括底座、踏板组件、驱动轮组件、转向组件、车龙头、座椅组件和运动控制组件，踏板组件、驱动轮组件、座椅组件和运动控制组件均安装在所述底座上；踏板组件包括踏板及安装在踏板底端的光电传感器；车龙头安装在所述转向组件上；右电动调速转把组件包括右把手及霍尔传感器，转向组件通过转向组件支架固定安装在所述底座上；驱动轮组件包括左右对称设置的两个行驶装置，每个行驶装置均包括伺服电机、减速器和车轮；所述运动控制组件用于接收右电动调速转把组件的调速信息以及接收转向组件的转向信息。

Description

一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平衡控制方法

技术领域

本发明涉及短途代步车领域，特别是涉及一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平衡控制方法。

背景技术

双轮自平衡车是一种智能移动机器人，属于轮式倒立摆机器人的一种。其作为一种短途代步工具，双轮自平衡车的许多优点，使其具有很好的实用价值和市场前景。

现有的双轮自平衡车产品均为体感操作方式，驾驶人站在踏板上，通过改变身体重心来操作双轮自平衡车前进、后退和停止，长距离行驶会产生驾驶疲劳。

中国专利CN200610052273中公开了一种立坐两用式自平衡两轮车，该车虽然具有立式和坐式两种操作方式，但其工作原理是靠驾驶人改变身体重心，这样对于坐式操作方式来说会有不舒适感。

传统站式平衡车和上述专利中所述立坐两用平衡车，其车身倾角均是靠人体前倾后仰来改变，如果在坐式驾驶中依然靠身体重心的主动移动来改变车身倾角，则是一种很糟糕的驾驶体验，增加驾驶人的疲劳感。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平衡控制方法，其采用体感和电动调速的双操作模式，站立式操作对应体感模式，坐式操作对应油门模式，在保留体感操作方式的同时提高了驾驶的舒适性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种站坐两用式的双轮自平衡车，包括车主体，其特征在于：所述车主体包括底座、踏板组件、驱动轮组件、转向组件、车龙头、座椅组件和运动控制组件，其中，

所述踏板组件、驱动轮组件、座椅组件和运动控制组件均安装在所述底座上；

所述踏板组件包括踏板及安装在踏板底端的光电传感器，以检测踏板上是否有脚踏在踏板上；

所述车龙头安装在所述转向组件上，其包括安装在转向组件上的方向杆及安装在方向杆上的左固定把手组件和右电动调速转把组件；所述右电动调速转把组件包括右把手及霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测右把手调速信息的并将此调速信息传送给运动控制组件；

所述转向组件通过转向组件支架固定安装在所述底座上，其包括一电位器，以用于将车龙头的转向角度转换为电压信号并传送给运动控制组件；

所述驱动轮组件包括左右对称设置的两个行驶装置，每个行驶装置均包括伺服电机、减速器和车轮，所述伺服电机通过减速器控制车轮的转速；

所述运动控制组件用于接收霍尔传感器的调速信息以及接收转向组件的电位器的转向信息，从而控制两个伺服电机的转速，进而控制自平衡车的平衡、直行、转向和加/减速。

优选地，所述转向组件还包括基座、左复位弹簧、右复位弹簧、承力支架、操作转轴，所述左复位弹簧和右复位弹簧并排安装在基座上且均水平设置，所述承力支架的左右两端分别抵靠在左复位弹簧和右复位弹簧上，所述操作转轴固定安装在所述承力支架上并且可转动安装在所述基座上，所述操作转轴与所述车龙头固定连接，操作转轴能在转动时带动承力支架压缩左复位弹簧或右复位弹簧；所述电位器固定安装在操作转轴上，以用于检测操作转轴的转向信息并将此转向信息传送给运动控制组件。

优选地，所述自平衡车还包括安装人机交互组件，所述人机交互组件包括安装在车龙头上的安装盒，所述安装盒上设置有显示控制板、LCD液晶屏、无线遥控模块、温湿度传感器、PM2.5灰尘传感器、语音模块和喇叭，以用于实现双轮自平衡车的运行状态监控，进而通过运动控制组件控制双轮自平衡车的运动。

一种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采集电池电压，判断电池电压正常是否正常，若是，则进入步骤(2)，若否，则平衡车不启动，并且若驾驶者尝试启动，则提示充电；

(2)判断自平衡车是否处于锁车状态，若是，则自平衡车无法启动，等待解锁；若否，则进入步骤(3)；

(3)脚踏传感器采集脚踏信号，从而判断是否有脚踩在自平衡车踏板上，若是，则获取此时的车主体相对于水平面的倾角，若此倾角在-5°～5°范围内，表明驾驶者试图驾驶平衡车，则进入步骤(4)，若否，则不启动自平衡车并继续获取脚踏传感器信号；

(4)采集自平衡车当前俯仰倾角θ_P和俯仰倾角角速度采集左右伺服电机的编码器数据，从而分别得到左右车轮的转速；采集车龙头右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压数据，从而获取油门信号；采集转向组件的输出电压信号，从而获得车主体转向信息；根据采集到的自平衡车的倾角、倾角角速度和左右车轮转速的信息，结合油门信号和转向操作息，通过运动控制组件控制左车轮的左伺服电机和右车轮的右伺服电机的驱动电压，从而使车主体在直行和转弯过程中保持平衡。

一种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的直行遵循以下状态微分方程：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \\ {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & - 5.82229 & - 6.1315 & 1.57202 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0.13568 & 6.18956 & - 0.01764 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{M} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{M} \\ θ_{P} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0.40457 \\ 0 \\ - 0.00943 \end{matrix}] U_{θ},

其中，分别表示自平衡车直行位移、直行速度、直行加速度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，U_θ＝U_L+U_R，并且U_L和U_R分别表示左右伺服电机的给定电压。

一种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的转弯过程遵循以下状态微分方程为：

其中，状态量分别表示自平衡车转向角、转向角速度和转向角加速度，并且U_L和U_R分别表示左右伺服电机的给定电压。

一种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：

自平衡车的直行遵循以下状态微分方程：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \\ {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & - 5.82229 & - 6.1315 & 1.57202 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0.13568 & 6.18956 & - 0.01764 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{M} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{M} \\ θ_{P} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0.40457 \\ 0 \\ - 0.00943 \end{matrix}] U_{θ},

其中分别表示自平衡车直行的位移、直行速度、直行加速度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，U_θ＝U_L+U_R，并且U_L和U_R分别表示左右伺服电机的给定电压；

自平衡车的转弯过程遵循以下状态微分方程为：

其中状态量分别表示自平衡车转向角、转向角速度和转向角加速度，

采用的解耦公式为：

采用极点配置法设计状态反馈控制器，其矩阵表达式为u＝-K_Px+v，其中, K_P为反馈增益矩阵，v为参考输入值，即右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压和转向组件的电位器的输出电压；然后再将u代入所述解耦公式即得到左右伺服电机的给定电压U_L和U_R；

最后通过控制左伺服电机上的电压U_L和右伺服电机上的电压U_R，以实现平衡车的平衡、直行、转弯和加/减速。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明具有体感-油门双模操作的人性化体验。本发明可以使双轮自平衡车具有体感和油门双模式的操作方式，既可以采用体感的站式操作方式，又可以采用油门的坐式操作方式，使其可以适用于更广的人群，具有更好的驾驶体验。

2)本发明具有灵活、安全、节能的启动方式。本发明中脚踏传感器可灵敏的检测驾驶人的脚掌是否接触踏板。当脚掌均没有接触踏板时系统处于低功耗休眠状态；反之，若检测到有脚掌接触踏板，且车身倾角处于水平正负5°范围内，说明车身已被驾驶人扶正，且至少有一只脚踏上踏板准备行驶，此时系统启动平衡程序，通过油门等接收驾驶人的驾驶指令。单纯检测到脚掌接触踏板而车身没有(近似)水平，此时并不能排除其他物体遮盖脚踏传感器的可能，为避免勿启动带来的危险，此时系统不会启动平衡程序。

3)本发明具有友好传统的转向车龙头。本发明中配有与传统电动自行车类似的车龙头转向装置。对于有自行车或电动自行车驾驶经验的人来说，这是一种亲切友好的设计。特别是坐式驾驶中，驾驶人其实更方便靠车龙头来转向，而不是左右倾斜身体或其他方式。

4)本发明具有丰富多样的状态提示与信息显示；通过人机交互组件的LCD液晶屏、语音模块和喇叭，可以方便友好地进行人机交互，适时播放系统启动、超速提醒、系统异常等语音提示信息。通过人机交互组件的温湿度传感器、PM2.5灰尘传感器等部件，可以为驾驶人提供环境温湿度信息、空气质量信息、时间信息、电池电量信息等，为驾驶人的出行提供更贴心的关怀。

5)本发明具有便捷安全的遥控锁车功能。通过人机交互组件的无线遥控模块，可以通过遥控器进行远距离无线锁车。锁车模式下，强行进行启动操作，系统不仅不会启动，还会发出危险报警信号。

6)本发明具有省时省力的助力模式。当电池电量不足或路况不佳时，可切换至助力模式，驾驶人只需要轻扶车身，平衡车自动判别需要前进还是后退，同时尽力保持车身平衡。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的站坐两用式的双轮自平衡车的整体结构示意图；

图2是本发明的踏板组件的爆炸示意图；

图3是本发明的驱动轮组件的爆炸示意图；

图4是本发明的转向组件的爆炸示意图；

图5是本发明的人机交互组件的爆炸示意图；

图6是本发明的运动控制组件的爆炸示意图；

图7是本发明的人机交互系统的程序流程图；

图8是本发明的运动控制系统的程序流程图；

图9是图8中的平衡控制程序的控制原理框图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-右电动调速转把组件2-车龙头3-连接杆4-座椅组件

5-踏板组件6-右行驶组件7-底座8-电池充电接头9-电源开关

10-左行驶组件11-左挡板12-转向组件支架13-转向组件罩壳

14-模式开关安装座15-模式开关16-左固定把手组件17-人机交互组件

18-踏板19-光电传感器20-光电传感器安装支架21-伺服电机

22-减速器23-减速器安装座24-车轮安装法兰25-车轮

26-车轮轴向挡圈27-第一轴承座28-第一轴承

29-操作转轴30-第二轴承31-第二轴承座32-电位器支架33-电位器

34-承力支架35-弹簧安装座36-基座37-复位弹簧38-安装盒盖

39-喇叭40-LCD液晶屏41-上层显示控制板42-PM2.5灰尘传感器

43-语音模块44-安装盒底45-无线遥控模块46-温湿度传感器

47-锂电池固定架48-右轮伺服电机驱动器安装支架49-右轮伺服电机驱动器

50-锂电池51-电源接线板52-电源接线板底板53-安装盒

54-左伺服电机驱动器55-左伺服电机驱动器安装支架56-电路板底板

57-传感器信号调理板58-运动控制板

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1中所示，该站坐两用式双轮自平衡车主要包括底座、踏板组件、驱动轮组件、转向组件、转向组件支架、连接杆、车龙头、座椅组件、人机交互组件和运动控制组件；

其中，就功能而言，车龙头、连接杆、转向组件和转向组件支架通过电位器将驾驶人的转向意图以电信号的形式传出，控制系统根据接收的电信号控制站坐两用式双轮自平衡车的转向，并且车龙头能够在没有外部转向力的情况下通过复位弹簧自动回复到中位；

踏板组件中的光电传感器用于检测是否有人正在或将要驾驶站坐两用式双轮自平衡车，控制系统根据是否有脚踏信号控制平衡车的启动和停止；

驱动轮组件用于驱动底座的运动，通过左右伺服电机的转动带动减速器转动，从而带动车轮转动，进而控制车主体的动态平衡；

控制系统(包括人机交互组件和运动控制组件)用于控制站坐两用式双轮自平衡车的平衡、转弯、加减速以及将平衡车的运行状态通过LCD液晶屏进行显示和语音模块进行语音提示。

下面将就各个组件的结构和功能分别给出具体说明。

所述踏板组件由踏板18、光电传感器19和光电传感器安装支架20组成。光电传感器19通过沉头螺栓安装于光电传感器安装支架上，光电传感器安装支架20通过四颗沉头螺栓安装于踏板上，四个光电传感器分布于两侧脚踏部位，其中一个传感器检测到脚踏则说明有人驾驶平衡车，保证了检测的可靠性和安全性。

所述驱动轮组件包括两左右对称设置的行驶装置，每个行驶装置均包括伺服电机21、减速器22、减速器安装座23、车轮安装法兰24、车轮25和车轮轴向挡圈26。伺服电机21的输出轴与减速器22的输入轴之间采用键连接，用于传递转速和转矩，两者之间通过螺栓固连在一起，减速器22通过螺栓安装于减速器安装座23上，减速器安装座23通过螺栓安装于底座上，车轮安装法兰24通过螺栓与车轮25的轮毂固连，减速器22的输出轴与车轮安装法兰24之间为键连接，用于传递转速和转矩，二者通过车轮轴向挡圈26进行轴向固定。

所述转向组件由第一轴承座27、第一轴承28、操作转轴29、第二轴承30、第二轴承座31、电位器支架32、电位器33、承力支架34、弹簧安装座35、基座36和复位弹簧37组成。第一轴承28安装于第一轴承座27中，第二轴承30安装于第二轴承座31中，第一轴承座和第二轴承座31通过螺栓安装于基座36上，第一轴承28和第二轴承30支撑操作转轴29的转动，承力支架34通过螺栓将两个复位弹簧37预紧并安装于弹簧安装座上，两个复位弹簧分别为水平设置的左复位弹簧和右复位弹簧，并且二者并排设置。电位器33通过螺栓安装于电位器支架32上，其用于获取车龙头的转向信息；电位器支架32通过螺栓安装于基座36上，操作转轴29的一端通过连接杆与车龙头2固连，传递转向信号，另一端通过螺栓与电位器33输出轴固连，从而将转向信号以电信号的形式输出给运动控制组件，驾驶人操作车龙头2转向时，操作转轴29带动承力支架34压缩其中一个的复位弹簧，而与另一个的复位弹簧分离，因此，当驾驶人松开车龙头后，在复位弹簧的作用下，承力支架会带动操作转轴回到中位，从而使车龙头2回到中位，这样在驾驶人在不需要转向时，不用一直用力握住车龙头2来保证车主体直行。

所述人机交互组件由安装盒盖38、喇叭39、LCD液晶屏40、上层显示控制板41、PM2.5灰尘传感器42、语音模块43、安装盒底44、无线遥控模块45和温湿度传感器46组成。人机交互组件通过安装座安装于车龙头2上，便于驾驶人查看车主体运行状态，安装盒盖38和安装盒底44通过3D打印机打印制作，二者间预留各个模块的安装空间，喇叭39安装于安装盒盖38的喇叭安装座上，LCD液晶屏40通过排针安装于上层显示控制板41的插孔内，上层显示控制板41通过螺栓安装于安装盒底44，PM2.5灰尘传感器42安装于安装盒底44的安装座上，语音模块43安装于安装盒底44的安装座上，无线遥控模块45安装于安装盒底44的安装座上，温湿度传感器46安装于安装盒底44的安装座上，各个模块与上层显示控制板41之间均为电连接，安装盒盖38和安装盒底44之间通过螺栓连接，该组件用于实现双轮自平衡车的运行状态监控，以通过运动控制组件控制双轮自平衡车的相关运动。

所述运动控制组件包括锂电池固定架47、右轮伺服电机驱动器安装支架48、右轮伺服电机驱动器49、锂电池50、电源接线板51、电源接线板底板52、安装盒53、左伺服电机驱动器54、左伺服电机驱动器安装支架55、电路板底板56、传感器信号调理板57和运动控制板58。锂电池50安装于安装盒53的锂电池安装座内，并通过锂电池固定架47固定，电源接线板51和电源接线板安装座通过螺栓安装于安装盒53内，传感器信号调理板57、运动控制板58和电路板安装座通过螺栓安装于安装盒内，安装盒通过螺栓安装于底座上，右轮伺服电机驱动器通过螺栓安装于右轮伺服电机驱动器安装支架上，右轮伺服电机驱动器安装支架通过螺栓安装于底座上，左伺服电机驱动器通过螺栓安装于左伺服电机驱动器安装支架上，左伺服电机驱动器安装支架通过螺栓安装于底座上，该组件用于提供能量并控制双轮自平衡车的平衡、转向和加减速。

更具体地，所述人机交互系统的程序流程图如图7所示。其工作过程包括以下步骤：(1)系统上电后，首先进行系统各模块的初始化(包括GPIO初始化、系统延时初始化、串口初始化、ADC初始化、液晶显示初始化、语音合成模块SYN6288初始化、温湿度传感器DHT11初始化、灰尘传感器程序初始化等)，并播放开机语音提示；(2)将采集的传感器(温湿度、灰尘传感器、右电动调速转把组件)信息和通过串口获取的运动控制系统信息(包括车速、电池电压等)通过液晶进行显示，并根据系统的运行状态播放不同的语音提示(电池电量不足提示充电，油门过大提示，车速过快报警等)；(3)将驾驶人的相关操作信息(包括右电动调速转把组件的油门指令等)通过串口发送给运动控制系统控制系统的运动；(4)通过外部中断检测红外遥控的信号进行锁车和解锁等操作。

更具体地，所述运动控制系统的程序流程图如图8所示。其工作过程包括以下步骤：(1)系统上电后，首先进行系统外设的初始化，包括GPIO初始化、定时器初始化、串口初始化、ADC初始化、控制参数初始化等；(2)通过ADC采集电池电压，当采集到的电池电压正常时，进行(3)，否则，不启动平衡车；(3)采集运动处理组件MPU6050的数据，进行滤波处理，得到当前俯仰倾角θ_P和俯仰倾角角速度采集左右伺服电机编码器的数据，从而得到车主体的行驶速度，读取通过串口传送的右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出信号，从而获取油门信号，采集转向电位器的输出信号，从而获取转向信号；(4)采集光电传感器的信号，从而判断是否有人使用，若有人使用，则进行(5)，否则，不启动平衡车并继续获取光电传感器信号；(5)通过获取的俯仰倾角θ_P判断车主体倾角是否在允许的范围(±5°)内，若在此范围内，则启动平衡控制程序，否则，不启动平衡车。

进一步，所述运动控制系统程序流程图中的平衡车控制程序的控制原理框图如图9所示。平衡控制所依据的数学模型可解耦为两个独立的控制子系统：直行系统和转弯控制系统。其中，直行系统所依据的状态微分方程为：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \\ {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & - 5.82229 & - 6.1315 & 1.57202 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0.13568 & 6.18956 & - 0.01764 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{M} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{M} \\ θ_{P} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0.40457 \\ 0 \\ - 0.00943 \end{matrix}] U_{θ},

转弯控制系统所依据的状态微分方程为：

采用的解耦公式为：

根据以上两个系统的数学模型，采用极点配置法设计状态反馈控制器，其矩阵表达式为u＝-K_Px+v，其中,

K_P为反馈增益矩阵，v为参考输入值即右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压和转向组件的输出电压；

然后再将u代入所述解耦公式即分别得到左右伺服电机的给定电压U_L和U_R；

最后通过U_L和U_R控制左右伺服电机的转速，以实现平衡车的直线行驶、加/减速和转弯。

平衡控制程序包括以下步骤：(1)采集左右伺服电机编码器的数据和运动处理组件MPU6050的数据，从而解算得到左驱动轮的转速右驱动轮转速车主体的俯仰倾角θ_P和俯仰倾角角速度(2)设定速度指令和转向指令，其中速度指令(可以通过体感或油门动态设定)用于控制平衡车的行驶速度，转向指令(通过采集转向组件的转向电位器的信号获得)用于控制平衡车的转弯；(3)利用设计的状态反馈控制器对车主体的俯仰倾角进行控制：状态反馈控制器根据系统的状态计算得到输出给左右伺服电机驱动器的控制电压U_L和U_R，从而控制左右两个伺服电机的转速，进而控制左右车轮的转速，以实现平衡车的直线行驶、加减速和转弯等动作。

本发明工作过程如下：

站式操作方式：使用时，打开电源开关，语音播放开机提示，系统启动并初始化，采集得到各个传感器模块的信号，当没有脚踏信号时不启动平衡控制程序，当车主体踏板与水平面夹角(以下简称车主体倾角)在±5°以内，且有脚踏信号时，启动平衡控制程序，对应的实际操作流程为，驾驶人将通过车龙头大致扶正车主体，然后一只脚踏在一踏板一侧的光电传感器上方，平衡控制程序启动，播放语音提示，驾驶人再将另一只脚踏在踏板另一侧的光电传感器上方，从而完成上车。上车完成后，驾驶人通过控制自身的重心控制平衡车的运动：身体前倾时，平衡车向前运动，运动速度与倾角大小成正比；身体后仰时，平衡车向后运动，运动速度与倾角大小成正比；身体保持竖直时，平衡车原地静止；驾驶人操作车龙头转向时，平衡车根据车龙头转动的方向向相应的方向转弯，转弯速度与车龙头的转角大小成正比。与上车的动作相反，下车时先下一只脚，然后再下另外一只脚完成下车。

坐式操作方式：使用时，打开电源开关，语音播放开机提示，系统启动并初始化，采集得到各个传感器模块的信号，当没有脚踏信号时不启动平衡控制程序，当车主体相对于水平面的倾角在±5°以内，且有脚踏信号时，启动平衡控制程序，对应的实际操作流程为，驾驶人将通过车龙头大致扶正车主体，然后一只脚踏在一踏板一侧的光电传感器上方，平衡控制程序启动，播放语音提示，驾驶人再将另一只脚踏在踏板另一侧的光电传感器上方，从而完成上车。上车完成后，驾驶人坐在座椅上，通过右电动调速转把组件控制平衡车的行驶速度，与操作电动自行车类似，速度与右电动调速转把组件的油门大小成正比；松开右电动调速转把组件，平衡车原地停止；驾驶人操作车龙头转向时，平衡车根据车龙头转动的方向向相应的方向转弯，转弯速度与车龙头的转角大小成正比。与上车的动作相反，下车时先下一只脚，然后再下另外一只脚完成下车。

本发明的主要参数如下：车轮使用直径260mm的10寸车轮3.00-4，伺服电机采用48V，400W伺服电机，减速器为精密行星齿轮箱AB60-7-S2-P2，车主体基本尺寸为490mm*340mm*208mm(长*宽*高)，重量11kg。使用48V聚合物锂电池供电，并使用DC-DC模块LM2596HVS为控制系统的硬件模块供电，嵌入式微控制器使用STM32F103，姿态检测传感器采用运动处理组件MPU6050，无线遥控模块采用PT2272，语音模块采用SYN6288，光电传感器采用光电开关GP2A25J000F，温湿度传感器采用DHT11。一般人员经过3～5分钟训练可以驾驶其任意行驶，最高行驶速度18km/h，连续行驶里程约40km。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种站坐两用式的双轮自平衡车，包括车主体，其特征在于：所述车主体包括底座、踏板组件、驱动轮组件、转向组件、车龙头、座椅组件和运动控制组件，其中，

所述车龙头安装在所述转向组件上，其包括安装在转向组件上的方向杆及安装在方向杆上的左固定把手组件和右电动调速转把组件；所述右电动调速转把组件包括右把手及霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测右把手调速信息并将此调速信息传送给运动控制组件；

2.根据权利要求1所述的一种站坐两用式的双轮自平衡车，其特征在于：所述转向组件还包括基座、左复位弹簧、右复位弹簧、承力支架、操作转轴，所述左复位弹簧和右复位弹簧并排安装在基座上且均水平设置，所述承力支架的左右两端分别抵靠在左复位弹簧和右复位弹簧上，所述操作转轴固定安装在所述承力支架上并且可转动安装在所述基座上，所述操作转轴与所述车龙头固定连接，操作转轴能在转动时带动承力支架压缩左复位弹簧或右复位弹簧；所述电位器固定安装在操作转轴上，以用于检测操作转轴的转向信息并将此转向信息传送给运动控制组件。

3.根据权利要求1所述的一种站坐两用式的双轮自平衡车，其特征在于：所述自平衡车还包括安装人机交互组件，所述人机交互组件包括安装在车龙头上的安装盒，所述安装盒上设置有显示控制板、LCD液晶屏、无线遥控模块、温湿度传感器、PM2.5灰尘传感器、语音模块和喇叭，以用于实现双轮自平衡车的运行状态监控，进而通过运动控制组件控制双轮自平衡车的运动。

4.一种权利要求1～3中任一权利要求所述的站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采集电池电压，判断电池电压是否正常，若是，则进入步骤(2)，若否，则平衡车不启动，并且若驾驶者尝试启动，则提示充电；

(4)采集自平衡车当前俯仰倾角θ_P和俯仰倾角角速度采集左右伺服电机的编码器数据，从而分别得到左右车轮的转速；采集车龙头右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压数据，从而获取油门信号；采集转向组件的输出电压信号，从而获得车主体转向信息；根据采集到的自平衡车的倾角、倾角角速度和左右车轮转速的信息，结合油门信号和转向操作信息，通过运动控制组件控制左车轮的左伺服电机和右车轮的右伺服电机的驱动电压，从而使车主体在直行和转弯过程中保持平衡。

5.一种权利要求1～3中任一权利要求所述的站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的直行遵循以下状态微分方程：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \\ {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & - 5.82229 & - 6.1315 & 1.57202 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0.13568 & 6.18956 & - 0.01764 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{M} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{M} \\ θ_{P} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0.40457 \\ 0 \\ - 0.00943 \end{matrix}] U_{θ},

其中，X_M，θ_P，分别表示自平衡车直行位移、直行速度、直行加速度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，U_θ＝U_L+U_R，并且U_L和U_R分别表示左右伺服电机的给定电压。

6.一种权利要求1～3中任一权利要求所述的站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的转弯过程遵循以下状态微分方程为：

7.一种权利要求1～3中任一权利要求所述的站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：

自平衡车的直行遵循以下状态微分方程：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot\cdot}{X}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \\ {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & - 5.82229 & - 6.1315 & 1.57202 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0.13568 & 6.18956 & - 0.01764 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{M} \\ {\overset{\cdot}{X}}_{M} \\ θ_{P} \\ {\overset{\cdot}{θ}}_{P} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0.40457 \\ 0 \\ - 0.00943 \end{matrix}] U_{θ},

其中X_M，θ_p，分别表示自平衡车直行的位移、直行速度、直行加速度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，U_θ＝U_L+U_R，并且U_L和U_R分别表示左右伺服电机的给定电压；

自平衡车的转弯过程遵循以下状态微分方程为：

采用的解耦公式为

采用极点配置法设计状态反馈控制器，其矩阵表达式为u＝-K_Px+v，其中,K_P为反馈增益矩阵，v为参考输入值，即右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压和电位器的输出电压；然后再将u代入所述解耦公式即得到左右伺服电机的给定电压U_L和U_R；