CN105253230B - 电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运算复杂度低且灵敏度高的电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，在车子非骑行但拎起过程中，先通过霍尔传感器实时获取车子的速度，所得速度数据在经过滤波处理后计算得出速度差，并与速度差定义量进行比较判断，再通过触摸传感器检测使用者触摸拎起把手的接触时间，并与接触时间定义量进行比较判断，然后获取相邻的上一次速度差，并与速度差定义量进行比较判断，最后获取速度为零值的时刻与当前时刻的时间差，并与时间差定义量进行比较判断，通过触摸传感器一直检测到触摸拎起把手的动作，确认车子被拎起，则车轮在拎起过程中即停止；而在未检测到传感器触摸操作时，控制处理器延时执行姿态平衡运算，以达到放下识别的效果。

Description

电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法

技术领域

本发明涉及电动自平衡独轮车技术领域，具体地说是涉及一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法。

背景技术

目前在国内，电动自平衡独轮车作为一种依靠电力驱动及自我平衡能力控制的代步工具开始悄悄盛行起来，它主要通过倒立摆系统原理来控制车体的前后平衡，使用者只需保持车体的左右平衡。使用者将脚放在轮子两侧的踏板上以后，向前倾斜身体即可前进，向后倾斜减速，向左或向右倾斜转弯。电动自平衡独轮车的体形小巧、携带方便，不使用后可以拎起提到公交、地铁、家里或是办公室。

由于使用者的使用习惯问题，时常会在使用过程中将电动自平衡独轮车拎起，而由于独轮车的工作原理是基于保持内部姿态传感器保持水平，所以拎起后轮子会旋转甚至疯狂旋转。当然当前的技术会让车子在转速超过一个设定值(一般为最大速度值)延时几秒后停转，其用户体验感较低且存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，该方法在保持现有电动自平衡独轮车结构与性能的基础上，在不经过大量计算并满足单片机计算特点的情况下，对车子进行拎起识别，同时在拎起后放下时迅速响应。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，电动自平衡独轮车主要通过控制处理器、姿态传感器和执行器(伺服电机)来实现平衡，当使用者倾斜身体时，姿态传感器输出相应姿态信息，控制处理器感知到姿态信息后，命令伺服电机向相应方向旋转，姿态传感器按一定频率不停地测量车子姿态(车体的倾斜角度信息)，并输出姿态信息到控制处理器，控制处理器不停地调整伺服电机的转动方向和转速，这样就保持了一个动态的平衡。电动自平衡独轮车是靠伺服电机驱动的，采用姿态传感器与驱动电路控制平衡。此外，电动自平衡独轮车的控制系统还包括霍尔传感器、加速度传感器和触摸传感器，霍尔传感器用于测量驱动车轮的伺服电机的速度信息，加速度传感器用于测量一个时间段的由地球引力作用和车子运动所产生的总体加速度信息，触摸传感器用于检测使用者手触摸拎起把手的接触动作以及接触时间信息。

电动自平衡独轮车是靠姿态传感器测算的倾斜角度换算成需要的输出功率来精确控制伺服电机的输出速度和力矩，并通过修正伺服电机的输出力矩来实时检测车子在骑行方向的加速度，因此电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法包括以下步骤：

步骤一：预定义电动自平衡独轮车在骑行方向的加速度计算公式如下：

其中，a表示骑行方向加速度，v表示独轮车的瞬时速度，t表示时刻，Δv表示独轮车当前时刻速度与前一时刻速度的速度差，Δt表示当前时刻与前一时刻的间隔时间；并且计算过程中将Δt设定为一定值，则a∝Δv，∝：正比于，故速度差Δv越大，骑行方向加速度a就越大。

步骤二：获取电动自平衡独轮车的速度信息，并进行速度滤波，采用霍尔传感器检测驱动车轮的伺服电机的速度信息，考虑到霍尔传感器在安装或使用过程中存在安装偏移等缺陷，因此，为了保证计算精确度，需要对伺服电机的最终速度值进行滤波处理。

步骤三：计算电动自平衡独轮车的本帧速度差，并与预先设定的速度差定义量进行比较判断；在每个时刻(时间点)取一次速度值，并在相邻的三个时刻(时间点)取两次速度差Δv，防止使用者在骑行过程中的车速突然为零点所导致大的加速度的误判；由于间隔时间Δt为一定值，采用公式(1)计算加速度a时可将Δt消去，仅考虑速度差Δv。在电动自平衡独轮车的控制处理器中预先设定的速度差定义量是通过鲁棒性试验获得的数据值，所述速度差定义量为一定值或在该定值的邻域内变化。

步骤四：触摸传感器检测触摸拎起把手的接触时间，并与预先设定的接触时间定义量进行比较判断，防止误判拎起或放下；在电动自平衡独轮车的控制处理器中预先设定的接触时间定义量是通过鲁棒性试验获得的毫秒级别的数据值，所述接触时间定义量为一定值或在该定值的邻域内变化，并且不同的触摸传感器所对应的预先设定的接触时间定义量也是存在差异的。

步骤五：将电动自平衡独轮车的上帧速度差与预先设定的速度差定义量进行比较判断；

步骤六：获取速度为零值的时刻与当前时刻的时间差，并与预先设定的时间差定义量进行比较判断，以判断使用者在骑行过程中是否停下来过。其中，速度为零值的时刻由控制处理器的时间计时器进行实时更新。

步骤七：在触摸传感器未检测到使用者手触摸拎起把手的动作的情况下，响应或延时响应控制处理器的平衡运算。进而可实现拎起放下车子后正常使用的效果，其中，延时响应的目的是为了防止控制处理器短时间检测失误而导致车子非连续控制耗损元器件，当使用者发生惊慌时也不会摔倒，因为已经拎起，同时还有个好处就是就算误判了也会马上进入非误判状态。

作为本发明的一种改进，所述触摸传感器选用电容式触摸传感器、压力传感器和光感传感器中的任意一种，所述触摸传感器安装在电动自平衡独轮车的拎起把手处，用于检测使用者手是否接触拎起把手以及手与拎起把手的接触时间。

作为本发明的一种改进，所述速度滤波采用单独的滑动平均滤波方式或采用中值滤波和滑动平均滤波相结合的方式，如果采用后者滤波方式的话，其滤波处理顺序为先中值滤波再滑动平均值滤波，采用中值滤波可先剔除速度数据中的毛刺量，以保证速度数值的平滑性，并再采用滑动平均值滤波进一步提高速度数值的平滑度。

作为本发明的一种改进，在采用霍尔传感器检测伺服电机的速度信息的同时，还可以采用加速度传感器测量一个时间段的由地球引力作用或车子运动所产生的总体加速度信息。加速度传感器和姿态传感器都无法单独获得动态情况下的精准车体平衡控制，将加速度传感器和姿态传感器进行互补，并将两种信息进行有效融合，才能获得准确的姿态信息。

作为本发明的一种改进，所述速度差是指线速度差，并根据线速度差与角速度差之间的关系(线速度＝角速度*半径)，还能够采用角速度差对线速度差进行替换。并且，速度差都来自于霍尔传感器的变换速度差异。

相对于现有技术，本发明提出的电动自平衡独轮车拎起与放下的识别方法，运算复杂度低，易于实现，识别灵敏度高且安全性高，车子拎起与放下的识别时间不超过1秒，且车子拎起后车轮的旋转时间极短，车子放下后能正常使用，符合使用者的骑行习惯，进一步提高了车子的使用舒适感；采用的电容式触摸传感器、压力传感器或光感传感器等触摸传感器既能检测接触拎起把手的动作，又能计算接触时间，并将触摸传感器直接安装在拎起把手处，有效保证了触摸检测的实时性，同时也减少了控制处理器的CPU计算量，从而保证车子的控制性能；在本方法中使用速度差来计算车子骑行方向的加速度，不仅直观易懂，计算简单，同时也有效保证检测识别的可靠性，大大提高了识别的精确度，并在霍尔传感器检测速度的过程中，对车子的速度进行零点识别，避免出现瞬间大的加速度值而导致误判的可能，进一步保证了识别的可靠性，提高了识别的安全性。

附图说明

图1为电动自平衡独轮车的控制结构框图。

图2为本发明的算法工作流程图。

图3为触摸传感器在电动自平衡独轮车上的安装位置示意图。

图中：1-电动自平衡独轮车，2-拎起把手，3-触摸传感器。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

实施例1：如图1—图3，电动自平衡独轮车1主要通过控制处理器、姿态传感器和同步伺服电机(PMSM)来实现平衡，姿态传感器(内部带有加速度传感器、陀螺仪和卡尔曼滤波模块)按一定频率不停地测量车子姿态(车体的实际角度信息)，并输出实际角度信息到控制处理器中与预先设定的给定角度进行比较得出角度误差，控制处理器根据所得角度误差值不停地调整PMSM电机的转动方向和转速；此外，电动自平衡独轮车1的控制系统还包括霍尔传感器、加速度传感器和触摸传感器3，霍尔传感器为PMSM电机内部自带的，用于测量驱动车轮的PMSM电机的速度信息，加速度传感器用于测量一个时间段的由地球引力作用或车子运动所产生的总体加速度信息作为识别条件的补充，触摸传感器3用于检测使用者手触摸拎起把手2的接触动作以及接触时间信息。电动自平衡独轮车1是靠姿态传感器测算的倾斜角度换算成需要的输出功率来精确控制PMSM电机的输出速度和力矩，并通过修正PMSM电机的输出力矩来实时检测车子在骑行方向的加速度。

因此，控制处理器判定电动自平衡独轮车1被拎起或放下的依据有：

(1)而转动惯量与质量成正比，因此可得出PMSM电机的加速度计算公式为其中，a为PMSM电机的加速度，F为PMSM电机的输出力矩，m为质量。则车子的加速度为其中，m_车为电动自平衡独轮车1的质量；使用者在骑行过程中的人与车子共同的加速度为其中，m_人为使用者的质量。而根据速度与加速度之间的关系，可得使用者骑行过程中车子的加速度为其中，a表示骑行方向加速度，v表示独轮车的瞬时速度，t表示时刻，Δv表示独轮车当前时刻速度与前一时刻速度的速度差，Δt表示当前时刻与前一时刻的间隔时间。因此，车子在骑行过程中的加速度与PMSM电机输出力矩和速度差有关。

(2)电动自平衡独轮车1在骑行过程中一般不会出现速度为零的情况。

(3)电动自平衡独轮车1在骑行过程中，正常情况下，使用者不会触摸拎起把手2，因此触摸传感器3检测不到触摸动作和触摸时间。

(4)电动自平衡独轮车1拎起放下后，控制处理器进入姿态平衡运算。

(5)在考虑骑行过程中会出现的一些意外情况时，控制处理器采用的是时间段而非时间点。

发明人根据上述的依据作为判断独轮车拎起和放下的设计思想，提出一种电动自平衡独轮车1的拎起与放下识别方法，该方法的具体操作流程为：

S1：电动自平衡独轮车1在骑行过程中，控制处理器一直在进行姿态平衡运算。与此同时，霍尔传感器获取在每个时刻取一次驱动车轮的PMSM电机的速度信息，并采用中值滤波和滑动平均值滤波对PMSM电机的最终速度值进行滤波处理。然后计算当前时刻速度与上一时刻速度之间的差值得出电动自平衡独轮车1的本帧速度差，并与预先设定的速度差定义量进行比较判断。若本帧速度差大于速度差定义量，则跳出姿态平衡运算并进入下一步检测；否则，继续执行姿态平衡运算。

S2：获取触摸传感器3检测触摸拎起把手的接触时间，并与预先设定的接触时间定义量进行比较判断，防止误判拎起或放下；优选地，接触时间定义量为1秒。若触摸传感器3检测到的接触时间大于1秒，则跳出姿态平衡运算并进入下一步检测；否则，继续执行姿态平衡运算。

S3：继续将电动自平衡独轮车1的上帧速度差与预先设定的速度差定义量进行比较判断，若上帧速度差小于速度差定义量，则跳出姿态平衡运算并进入下一步检测；否则，继续执行姿态平衡运算。

S4：获取速度为零值的时刻与当前时刻的时间差，并与预先设定的时间差定义量进行比较判断，若所得的时间差小于时间差定义量，则跳出姿态平衡运算并判断车子被拎起，并入下一步检测；否则，继续执行姿态平衡运算。

S5：接触传感器检测使用者手触摸拎起把手2的动作，在未检测到触摸动作的情况下，延时执行姿态平衡运算，以防止控制处理器短时间因检测失误而导致车子非连续控制耗损元器件。当接触传感器检测使用者手触摸拎起把手2的动作时，最终确认车子被拎起，则车轮在1秒内停止旋转。

当电动自平衡独轮车1从拎起状态到使用者放下准备骑行时，使用者将手从拎起把手2处离开即可正常骑行。

实施例2：如图3，作为本发明的一种改进，所述触摸传感器3选用电容式触摸传感器、压力传感器和光感传感器中的任意一种，所述触摸传感器3安装在电动自平衡独轮车1的拎起把手2处，用于检测使用者手是否接触拎起把手2以及手与拎起把手2的接触时间。其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例3：如图1—图3，作为本发明的一种改进，所述速度滤波的顺序为先中值滤波再滑动平均值滤波，采用中值滤波可先剔除速度数据中的毛刺量，以保证速度数值的平滑性，并再采用滑动平均值滤波进一步提高速度数值的平滑度。其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例4：如图1—图3，作为本发明的一种改进，在采用霍尔传感器检测PMSM电机的速度信息的同时，还可以采用加速度传感器测量一个时间段的由地球引力作用或车子运动所产生的总体加速度信息作为识别条件补充。加速度传感器和姿态传感器都无法单独获得动态情况下的精准车体平衡控制，将加速度传感器和姿态传感器进行互补，并将两种信息进行有效融合，才能获得准确的姿态信息。其余结构和优点与实施例1完全相同。

实施例5：如图1—图3，作为本发明的一种改进，所述速度差为线速度差，并根据线速度差与角速度差之间的关系，还能够采用角速度差对线速度差进行替换。并且，速度差都来自于霍尔传感器的变换速度差异。其余结构和优点与实施例1完全相同。

本发明还可以将实施例2、3、4、5所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围，如改变判定条件的顺序，类似的判定条件等。

Claims (7)

1.一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：预定义电动自平衡独轮车在骑行方向的加速度计算公式如下：

<mrow> <mi>a</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>v</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，a表示骑行方向加速度，v表示独轮车的瞬时速度，t表示时刻，Δv表示车子当前时刻速度与前一时刻速度的速度差，Δt表示当前时刻与前一时刻的间隔时间；并且计算过程中将Δt设定为一定值，则a∝Δv，∝：正比于，即骑行方向加速度正比于速度差；

步骤二：采用霍尔传感器获取驱动车轮的伺服电机的速度信息，并对所得速度信息进行速度滤波；

步骤三：计算电动自平衡独轮车的本帧速度差，并与预先设定的速度差定义量进行比较判断；在每个时刻取一次速度值，并在相邻的三个时刻取两次速度差Δv，预先设定的速度差定义量是通过鲁棒性试验获得的数据值，所述速度差定义量为一定值或包含该定值的邻域；

步骤四：触摸传感器检测触摸拎起把手的接触时间，并与预先设定的接触时间定义量进行比较判断，预先设定的接触时间定义量是通过鲁棒性试验获得的毫秒级别的数据值，所述接触时间定义量为一定值或包含该定值的邻域；

步骤五：将电动自平衡独轮车的上帧速度差与预先设定的速度差定义量进行比较判断；

步骤六：获取速度为零值的时刻与当前时刻的时间差，并与预先设定的时间差定义量进行比较判断，预先设定的时间差定义量是通过鲁棒性试验获得的数据值，所述接触时间定义量为一定值或包含该定值的邻域；其中，速度为零值的时刻由控制处理器的时间计时器进行实时更新；

步骤七：在触摸传感器未检测到使用者手触摸拎起把手的动作的情况下，响应或延时响应控制处理器的平衡运算。

2.如权利要求1所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，所述触摸传感器安装在电动自平衡独轮车的拎起把手处。

3.如权利要求2所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，所述触摸传感器选用电容式触摸传感器、压力传感器和光感传感器中的任意一种。

4.如权利要求2或3所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，所述速度滤波采用中值滤波结合滑动平均滤波的方式或单独采用滑动平均滤波的方式。

5.如权利要求4所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，采用中值滤波结合滑动平均滤波的方式进行速度滤波的滤波顺序为先中值滤波再滑动平均滤波。

6.如权利要求5所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，在采用霍尔传感器检测伺服电机的速度信息获取加速度的同时，还采用加速度传感器测量由地球引力作用或车子运动所产生的加速度信息。

7.如权利要求6所述的一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，其特征在于，所述速度差为线速度差，并根据线速度差与角速度差之间的关系，还能够采用角速度差对线速度差进行替换。