CN105425802A - 一种两轮智能平衡车及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两轮智能平衡车及其控制方法，包括主程序和定时中断程序，在主程序开始之后，执行定时中断程序，进入定时中断程序时，主程序暂停，定时中断程序结束后返回主程序暂停的位置；定时中断程序包括以下步骤：获取与平衡车两个车轮分别相连的两个电机的定子电压和绕组电流，分别计算获得电机转矩，通过电机转矩、磁链调节器以及矢量表生成两个电机所需要12路的PWM，进行直接转矩控制，输出到电机，完成平衡车的控制。本发明中采用直接转矩控制，输入量只需要定子电压和绕组电流，无需位置传感器，节约了成本并且稳定了性能；输出量是一个精确的转矩，所以大大提高了响应特性，完成车体自平衡的精确控制，提高了稳定性和安全性。
Description
【技术领域】
本发明属于智能车领域，具体涉及一种两轮智能平衡车及其控制方法。
【背景技术】
两轮平衡车价格低廉，体积小，质量轻，便于移动与携带。与两轮电动车相比，方便操作，灵活性高，可实现零半径转向。与独轮车相比，稳定性较好，安全系数较高。并且随着现代控制理论、电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的不断发展，大大提高了两轮平衡车的控制性能。目前，两轮平衡车已经成为了重要的研究对象，而且，控制技术已经比较成熟。
但是大多数人主要采用传统控制算法，使用直流有刷电机做一些相关的研究，所以虽然平衡车稳定性较传统代步车较好，但是却不能够达到更高的稳定性和安全性的要求。另外直流有刷电机由于内部加装了电流换向用的电刷和换向器，造成了电机结构复杂，可靠性差，故障率高，维护工作量大，寿命短，换向火花容易产生电磁干扰。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种两轮智能平衡车及其控制方法，提高了平衡车的稳定性和安全性。
为了达到上述目的，本发明控制方法采用如下技术方案：
包括主程序和定时中断程序，其中主程序包括以下步骤：
步骤101、开始，初始化系统；
步骤102、平衡车运行；
步骤103、判断平衡车运行是否结束，如果结束，进入步骤104，如果没有结束，返回步骤102；
步骤104、结束；
在步骤101之后，执行定时中断程序，进入定时中断程序时，主程序暂停，定时中断程序结束后返回主程序暂停的位置；定时中断程序包括以下步骤：
步骤2011、获取与平衡车两个车轮分别相连的两个电机的定子电压和绕组电流，
步骤2012、按以下公式(1)分别计算获得电机转矩：
其中，Km---转矩系数；和分别为每个电机的定子磁链在α-β轴上的分量；iα、iβ---每个电机的定子电流在α-β轴上的分量；且：
uα、uβ---每个电机的定子电压在α-β轴上的分量，Rs---定子电阻；
步骤2013、通过电机转矩、磁链调节器以及矢量表生成两个电机所需要12路的PWM，进行直接转矩控制，输出到电机，完成平衡车的控制。
进一步地，步骤102的平衡车运行包括以下具体步骤：
步骤1021、对平衡车上的按键进行扫描，判断用户是否有按下按键，如果有则执行对应操作，如果没有则继续向下执行；
步骤1022、进行障碍扫描，判断前方是否有障碍物；
步骤1023、采集平衡车车底到地面的距离信息；
在定时中断程序中，还包括以下两个任意顺序的步骤：
步骤2001、避障控制，通过获取步骤1022中得到的障碍物信息，首先选择出平衡车正前方180°范围内没有障碍物的所有方位，通过比较选出能够让平衡车通过障碍物的方位，并且将符合条件的方位相比较，找出绕行半径最短的避障路线，按该避障路线行驶躲避障碍物；
步骤2002、通过获取步骤1023中采集到的距离信息来计算出该距离的方差，根据方差的大小获取道路的平整度信息，进行路况判断，并调整平衡车行驶的最高行驶速度。
进一步地，在定时中断程序中，还包括以下任意顺序的步骤：
步骤2003、获取平衡车的角度和角速度信息，经过滤波后通过角度PID对平衡车车体的角度进行调整；
步骤2004、获取平衡车的实际速度，通过速度PID完成对速度的闭环控制；
步骤2005、获取平衡车的操作杆的电压信号，并与参考电压比较，判断出转向的方向和角度，并控制与平衡车两个车轮分别相连的两个电机差速运转完成转向。
进一步地，步骤2002中最高行驶速度Vmax＝R×Vs，其中Vmax为不同路况所对应的最高行驶速度，R为道路系数，0＜R≤1，Vs为设定的最大速度。
进一步地，在步骤102和步骤103之间还有人机交互的步骤，包括蜂鸣器控制、LED灯控制和显示屏显示。
本发明平衡车的技术方案是：包括传感器部分、驱动电机部分和控制部分，传感器部分连接控制部分，控制部分连接驱动电机部分，其中，
驱动电机部分包括驱动电路和两个分别与平衡车车轮相连的电机；传感器部分包括用于获取电机定子电压的电压传感器，以及用于获取电机绕组电流的电流传感器；
控制部分用于接收传感器部分获取的定子电压和绕组电流，并对电机进行直接转矩控制。
进一步地，传感器部分还包括用于采集车身偏移的角速度的数字陀螺仪，用于采集车身偏移角度的加速度计，用于采集实际速度的编码器，用来采集方向控制量的操作杆，用来检测障碍情况的避障传感器和用来检测路况的红外传感器。
进一步地，控制部分还与人机交互部分相交互，人机交互部分包括无线通信模块、按键、显示屏、蜂鸣器和LED灯。
进一步地，平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制部分相交互。
进一步地，电机采用无刷直流电机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明控制方法中采用直接转矩控制，是一种高性能的交流调速传动控制技术，由于它计算的输入量只需要定子电压和绕组电流，所以无需位置传感器，节约了成本并且稳定了性能，其次由于它最终输出量是一个精确的转矩，不用在一个模糊范围内细调，所以大大提高了响应特性，完成车体自平衡的精确控制，有效提高了平衡车的稳定性和安全性。
进一步地，本发明通过进行路况判断，并调整平衡车行驶的最高行驶速度，强化自平衡控制以提高安全系数。
本发明平衡车采用传感器获取定子电压和绕组电流来控制电机，可靠性高，稳定性好，适应性强，维修和保养简单，寿命更长。
进一步地，本发明通过设置数字陀螺仪和加速度计，能够获取车体的角度和角速度，便于进行角度PID控制，使车体能平稳的保持直立。
进一步地，本发明通过设置摄像头，实现平衡车的无人侦察功能和车底路况拍摄，提高运行安全性。
进一步地，本发明平衡车采用的直流无刷电机摒弃了传统的电刷和换向器，相比之下，本发明平衡车车体的稳定性和可控性更强，尤其是电机故障率有效降低，后期的维修和保养也比较简单。整车的系统性能大幅度提升，其产品具有更大的市场价值和经济效益。
【附图说明】
图1为本发明的系统总框图。
图2为本发明的硬件结构图。
图3为本发明的主程序流程图。
图4为本发明的中断程序流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为系统的总框图，整个系统划分为4个主要部分：传感器部分，控制部分，人机交互部分和电机驱动部分，传感器部分连接控制部分，控制部分连接驱动电机部分，且控制部分和人机交互部分相交互。控制部分采用STM32主控制器芯片，用于控制平衡车的两个无刷直流电机，并利用传感器信号不断调整平衡车的姿态和行驶速度，实现在不同路况和行驶要求下的整车稳定行驶。通过一些人机交互模块可以实现对平衡车的工作状态和性能显示，并通过无线技术可以完成平衡车的无人遥控控制能力。
图2为硬件结构图，主要包括：
(1)传感器部分：主要由数字陀螺仪，加速度计，编码器，操作杆，避障传感器，红外传感器，电压传感器和电流传感器构成。传感器可直接采集所需要的信息，其中，数字陀螺仪用来采集车身偏移的角速度，加速度计用来采集车身偏移角度，当车体有偏移角度的时候，重力会在水平和垂直方向产生两个加速度，加速度计获取其中一个通过计算来获取与竖直方向的夹角；编码器用来采集实际速度，操作杆用来采集方向控制量，避障传感器用来检测障碍情况，红外传感器用来检测路况，电压和电流传感器分别用来采集电机的定子电压和绕组电流信息。
(2)控制部分：由单片机和最小系统板组成。主要通过获取传感器的反馈信号来控制电机的运行、维持自平衡、和实现相关功能。例如获取电压、电流传感器、数字陀螺仪、加速度计的反馈信号，将反馈信号经过控制部分的调理运算(倍数放大和偏置运算)产生一个输出信号控制电机从而保持车体的自平衡；获取红外传感器的反馈信号，通过相关处理对路况当前的平整度进行判断，从而设置最高行驶速度和强化自平衡控制以提高安全系数；获取操作杆的电压信号从而产生电机控制信号来控制左右两个电机差速运转来控制平衡车完成转向。
(3)人机交互部分：该部分主要由无线通信模块，按键，显示屏，蜂鸣器，LED灯和摄像头组成。其中无线通信实现手机与单片机进行信息传输和视频的传输，其中，视频传输功能可以实现平衡车的无人侦察功能和车底路况查看功能；按键可以供用户选择模式，可以选择灵敏度，选择速度等等；当平衡车车处于不同模式或工作状态时，点亮不同的LED灯，提醒用户；将电池电量，行驶路程和车前死角视频等车体信息显示在显示屏上。
(4)驱动电机部分：该部分由电机驱动电路和直流无刷电机组成。
参见图3和图4，本发明主要过程中，包括了无线通讯蓝牙模块的信息交互、车底摄像头信息的编码、键盘按键扫描、采集避障传感器信号并通过避障算法计算路线、采集路况传感器信号并且通过路况检测算法计算出路况参数以备调用，下来是蜂鸣器提示音、LED指示灯、显示屏三大人机交互模块的控制；函数主要过程执行的过程中每隔一段时间就会跳入中断程序中,完成对传感器的定时扫描，其中主要包括：通过路况参数调整车体行驶的最高速度参数、采集加速度计和陀螺仪的检测信号，通过卡尔曼滤波处理收集到的陀螺仪和加速度计的信号，通过角度PID对车体角度进行调整、采集速度传感器的信号通过速度PID完成对速度的闭环控制、采集操作杆的电压信号并做出相对应的转向、避障控制、以及采集电机的电压和电流信息并通过直接转矩算法完成车体自平衡的精确控制。本发明具体的工作过程如下：
步骤101：开始，初始化系统。
步骤102：平衡车运行。
步骤1021：通过无线通讯蓝牙模块将手机与单片机进行信息交互，比如用户用手机无线控制平衡车；
步骤1022：单片机获取车底摄像头拍摄的视频，并对视频信号压缩编码并存储；如果用户在步骤1021中开启手机通讯模式的话，能够在手机上查看车底摄像头所拍摄的图像；
步骤1023：键盘按键扫描；判断用户是否有按下按键，如果有则执行对应操作，如果没有则继续向下执行。
步骤1024：障碍扫描；采集避障传感器的信息，是一个用于判断前方是否有障碍物的开关量，通过避障传感器检测障碍物所在方位和另一组红外传感器来获取障碍物周围的情况。如果有障碍，则在后面中断程序的步骤2005中进行处理。
步骤1025：路况扫描；收集一段时间平衡车车底红外传感器测量的车底到地面的距离信息，送入控制部分进行路况分析。
步骤103：人机交互；主要包括蜂鸣器控制，LED灯控制，显示屏显示；其中，蜂鸣器控制是当电池电量即将耗尽或者当平衡车的速度大于设定的安全速度的时候报警，提醒用户；LED灯控制是比如平衡车处于不同模式或工作状态时，点亮不同的LED灯，提醒用户；显示屏显示，是在平衡车车体的显示屏屏幕上显示必要信息，如电池电量，行驶路程和车前死角视频，或者当用户按下按键时，显示对应的设置信息与用户进行交互。
步骤104：判断平衡车运行是否结束，如果结束，进入步骤105，没有结束，返回步骤102。
步骤105：结束。
在步骤101之后，执行定时中断程序，进入定时中断程序时，主程序暂停，定时中断程序结束后返回主程序暂停的位置；定时中断程序包括以下步骤：
2001、通过获取步骤1025中采集到的车底到地面的距离，分析红外测出的距离数据，计算出这些距离的方差，根据方差的大小获取道路的平整度信息，方差大则道路不平整，方差小则道路平整，根据此方法获取当前正在行驶的道路路况，进行路况判断，调整车体行驶的最高行驶速度，超过该速度，车体自动抬头减速，最高行驶速度由下述公式给出：Vmax＝R×Vs，其中Vmax为不同路况所对应的最高行驶速度，R为道路系数，R通过上述的距离方差得到，R＝1-当前方差/最大允许方差，该系数越大，道路越平整，最大不超过1，Vs为设定的最大速度；
2002、通过加速度计和陀螺仪传感器获取车体的角度和角速度，将角度和角速度输入卡尔曼滤波滤波器，卡尔曼滤波器会根据陀螺仪测出的角速度对加速度计测出的角度进行修正，使结果更准确；在角度等于或超过设定的最大值，车体即将翻倒时，通过角度PID计算并且输出一组输出信号给电机来控制对车体角度进行调整，使车体能平稳的保持直立；
2003、采集编码器的信号，获取平衡车的实际速度，通过速度PID完成对速度的闭环控制；
2004、采样操作杆本身的电压信号并根据与设定的参考电压比较从而判断出转向的方向和角度，并且产生相应的电机控制信号给控制部分，控制左右两个电机差速运转完成转向；也可以一个电机正转，另一个反转，可完成原地转向；
2005、避障控制；方向PID；
通过获取步骤1024中得到的障碍物信息，首先选择出平衡车正前方180度范围内没有障碍物的所有方位，通过比较选出能够让平衡车通过障碍物的方位，并且将符合条件的方位相比较，找出绕行半径最短的避障路线，按该避障路线行驶从而躲避障碍物；
2006、通过电压和电流传感器采集电机的定子电压和绕组电流，利用电机的绕组电流和定子电压计算转矩和磁链，再通过电机转矩和磁链调节器并利用现有矢量表生成两个电机一共所需要12路的PWM，进行直接转矩控制，输出到直流无刷电机，具体来说，就是通过六路PWM控制驱动电路输出的三相电压，并通过该三相电压控制对应电机的转速。
601、用采集到的定子电压和电流信息经过如下公式计算从而获得电机转矩；
Km---转矩系数；和分别为定子磁链在α-β轴上的分量；iα、iβ---定子电流在α-β轴上的分量；
其中定子磁链可以采用如下公式进行计算：
uα、uβ---定子电压在α-β轴上的分量，Rs---定子电阻。
上述步骤2001至2006是相互独立的部分，其顺序可以是任意的。
本发明涉及的算法：在控制部分中，卡尔曼滤波和PID控制属于典型算法，主要用于完成系统的最优控制；而直接转矩控制属于先进算法，是一种高性能的交流调速传动控制技术，由于它计算的输入量只需要定子电压和电流，所以无需位置传感器，节约了成本并且稳定了性能，其次由于它最终输出量是一个精确的转矩，不用在一个模糊范围内细调所以提大大提高了响应特性；避障算法和路况检测用于精确控制。相比传统的只通过PID控制电机，直接转矩算法能够一次计算出一个精确的控制信号，而不用再进行反复的误差矫正，这样可以明显提高电机的动态响应特性。
(2)操作系统：系统将采用uCOS嵌入式操作系统，实现对两轮平衡车的多任务实时管理。
本发明针对现有平衡车存在的缺陷和不足，利用直流无刷电机和低成本高性能的STM32主控制器芯片，具体采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，性价比及稳定性高，资源丰富可拓展性高；对现有的两轮平衡车进行硬件和软件上一系列改进和优化，选用直流无刷电机并制作相应的开关控制电路，采用六个开关量控制一个电机，有效提高了控制的准确性和可靠性；摒弃了传统的电刷和换向器，采用传感器获取电机位置来控制电机提高了电机的可靠性和准确性以及续航时间，并且降低了电机的维护费用。采用直接转矩控制算法来控制直流无刷电机，提高了电机转矩响应特性，优化系统结构，大幅提高系统动态特性；同时研究控制电路及驱动电路的设计、uCOS-II操作系统以及各个功能的控制算法，提高了平衡车的稳定性和耐用性，同时开发专用的配套手机控制软件，并丰富了功能，优化了用户体验，方便了出行。
Claims (10)
1.一种两轮智能平衡车的控制方法，其特征在于，包括主程序和定时中断程序，其中主程序包括以下步骤：
步骤101、开始，初始化系统；
步骤102、平衡车运行；
步骤103、判断平衡车运行是否结束，如果结束，进入步骤104，如果没有结束，返回步骤102；
步骤104、结束；
在步骤101之后，执行定时中断程序，进入定时中断程序时，主程序暂停，定时中断程序结束后返回主程序暂停的位置；定时中断程序包括以下步骤：
步骤2011、获取与平衡车两个车轮分别相连的两个电机的定子电压和绕组电流，
步骤2012、按以下公式(1)分别计算获得电机转矩：
其中，Km---转矩系数；和分别为每个电机的定子磁链在α-β轴上的分量；iα、iα---每个电机的定子电流在α-β轴上的分量；且：
uα、uβ---每个电机的定子电压在α-β轴上的分量，Rs---定子电阻；
步骤2013、通过电机转矩、磁链调节器以及矢量表生成两个电机所需要12路的PWM，进行直接转矩控制，输出到电机，完成平衡车的控制。
2.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车的控制方法，其特征在于，步骤102的平衡车运行包括以下具体步骤：
步骤1021、对平衡车上的按键进行扫描，判断用户是否有按下按键，如果有则执行对应操作，如果没有则继续向下执行；
步骤1022、进行障碍扫描，判断前方是否有障碍物；
步骤1023、采集平衡车车底到地面的距离信息；
在定时中断程序中，还包括以下两个任意顺序的步骤：
步骤2001、避障控制，通过获取步骤1022中得到的障碍物信息，首先选择出平衡车正前方180°范围内没有障碍物的所有方位，通过比较选出能够让平衡车通过障碍物的方位，并且将符合条件的方位相比较，找出绕行半径最短的避障路线，按该避障路线行驶躲避障碍物；
步骤2002、通过获取步骤1023中采集到的距离信息来计算出该距离的方差，根据方差的大小获取道路的平整度信息，进行路况判断，并调整平衡车行驶的最高行驶速度。
3.根据权利要求1或2所述的一种两轮智能平衡车的控制方法，其特征在于，在定时中断程序中，还包括以下任意顺序的步骤：
步骤2003、获取平衡车的角度和角速度信息，经过滤波后通过角度PID对平衡车车体的角度进行调整；
步骤2004、获取平衡车的实际速度，通过速度PID完成对速度的闭环控制；
步骤2005、获取平衡车的操作杆的电压信号，并与参考电压比较，判断出转向的方向和角度，并控制与平衡车两个车轮分别相连的两个电机差速运转完成转向。
4.根据权利要求2所述的一种两轮智能平衡车的控制方法，其特征在于，步骤2002中最高行驶速度Vmax＝R×Vs，其中Vmax为不同路况所对应的最高行驶速度，R为道路系数，0＜R≤1，Vs为设定的最大速度。
5.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车的控制方法，其特征在于，在步骤102和步骤103之间还有人机交互的步骤，包括蜂鸣器控制、LED灯控制和显示屏显示。
6.一种两轮智能平衡车，其特征在于，包括传感器部分、驱动电机部分和控制部分，传感器部分连接控制部分，控制部分连接驱动电机部分，其中，
驱动电机部分包括驱动电路和两个分别与平衡车车轮相连的电机；传感器部分包括用于获取电机定子电压的电压传感器，以及用于获取电机绕组电流的电流传感器；
控制部分用于接收传感器部分获取的定子电压和绕组电流，并对电机进行直接转矩控制。
7.根据权利要求6所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，传感器部分还包括用于采集车身偏移的角速度的数字陀螺仪，用于采集车身偏移角度的加速度计，用于采集实际速度的编码器，用来采集方向控制量的操作杆，用来检测障碍情况的避障传感器和用来检测路况的红外传感器。
8.根据权利要求6所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，控制部分还与人机交互部分相交互，人机交互部分包括无线通信模块、按键、显示屏、蜂鸣器和LED灯。
9.根据权利要求6所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制部分相交互。
10.根据权利要求6所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，电机采用无刷直流电机。
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