CN105799826A - 一种自平衡独轮滑板车及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡独轮滑板车及其应用，包括：车架、左踏板、右踏板、控制电路板、蓄电池和轮毂电机；其特征是：在左踏板右踏板上分别布置有左光电开关和右光电开关；控制电路板获取所述左光电开关和右光电开关的开关状态，从而控制独轮滑板车的启停。本发明能使得驾驶者安全的上车和下车且不至于失去平衡而摔倒，从而使得独轮滑板车更易于驾驶，更安全，趣味性更强。

Description

一种自平衡独轮滑板车及其应用

技术领域

本发明涉及电动滑板车技术领域，具体地说是一种自平衡独轮滑板车的结构、启停方式以及平衡控制方法。

背景技术

电动独轮滑板车作为取代传统滑板车的新型产品，具有娱乐性强、清洁环保等特点。目前独轮滑板车在青少年群体中非常流行。鉴于独轮滑板车的结构特点，如何保证驾驶者安全地上车和下车以及驾驶的舒适度是驾驶独轮滑板车研究的关键点。

发明内容

本发明为了解决现有技术所存在的不足之处，提出一种自平衡独轮滑板车及其应用，以期能使得驾驶者安全的上车和下车且不至于失去平衡而摔倒，从而使得独轮滑板车更易于驾驶，更安全，趣味性更强。

为达到上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明一种自平衡独轮滑板车，包括：车架、左踏板、右踏板、控制电路板、蓄电池和轮毂电机；在所述车架的中间位置上设置有所述轮毂电机；在所述车架的两端分别对称布置有所述左踏板和右踏板；在所述左踏板和右踏板的下方分别嵌入所述控制电路板和蓄电池；其结构特点是：

在所述左踏板右踏板上分别布置有左光电开关和右光电开关；所述控制电路板获取所述左光电开关和右光电开关的开关状态，从而控制所述独轮滑板车的启停。

本发明一种自平衡独轮滑板车的启动方法特点是按如下步骤进行：

步骤1、开启独轮滑板车电源，使得蓄电池接通，控制电路板中系统初始化；

步骤2、控制电路板利用ADC实时采集轮毂电机的负载电流，并利用六轴传感器实时采集左踏板与水平面的夹角，并将电源刚接通时所测得的角度值赋给角度变量目标俯仰角θ_r；

步骤3、控制电路板获取左光电开关和右光电开关的开关状态并进行判断，当左光电开关和右光电开关对应的IO口均无信号时，表示左光电开关和右光电开关均被踩下，执行步骤4；否则，仍然执行步骤3；当左光电开关和右光电开关均被踩下，即开始运行平衡控制程序；

步骤4、控制电路板中的平衡控制程序每运行一遍，设置目标俯仰角θ_r的值减少α，并将所得结果重新赋给θ_r，依次循环；若θ_r等于0，则滑板车踏板已经到了水平位置，表示启动完成，并且步骤4结束运行，θ_r保持为0；否则，仍然执行步骤4；

本发明一种自平衡独轮滑板车的停车方法的特点是按如下步骤进行：

当任意一个光电开关松开，控制电路板检测到光电开关对应的IO信号，判断为停车信号，控制电路板中平衡控制程序关闭。

本发明一种自平衡独轮滑板车的平衡控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、控制电路板通过六轴传感器分别获取独轮滑板车的三轴角速度和三轴加速度，并采用四元数算法对所述三轴角速度和三轴加速度行融合解算，得到四元数，再由四元数与欧拉角的换算公式，解得欧拉角中的俯仰角θ_c，并作为独轮滑板车的实际俯仰角；

步骤2、利用式(1)计算角度误差e_sθ：

e_sθ＝θ_r-θ_c(1)

式(1)中，θ_r表示所设定的目标俯仰角；

步骤3、利用式(2)所示的PID算法求解出转矩电流基准i_sqref：

$i_{sqref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{s\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{s\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{de}}_{s\mathrm{\θ}}}{dt}---\left(2\right)$

式(2)，为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

步骤4、控制电路板通过ADC采集轮毂电机的两相电流i_a和i_b，并对所述两相电流i_a和i_b分别进行Clarke变换和Park变换，解算出实际转矩电流i_sq和实际励磁电流i_sd；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得转矩电流误差e_sq和励磁电流误差e_sd：

e_sq＝i_sqref-i_sq(3)

e_sd＝i_sdref-i_sd(4)

式(4)中，i_sdref表示所设定的励磁电流基准；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PID算法求解交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref：

$V_{sqref}=K_p^q{e}_{sq}+K_i^q\∫e_{sq}dt+K_d^q\frac{{\mathrm{de}}_{sq}}{dt}---\left(5\right)$

$V_{sdref}=K_p^d{e}_{sd}+K_i^d\∫e_{sd}dt+K_d^d\frac{{\mathrm{de}}_{sd}}{dt}---\left(6\right)$

式(5)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为转矩电流环微分系数；

式(6)中，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数，为励磁电流环微分系数；

步骤7、根据所述交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref，利用Park反变换求解出静止正交基准框架下的定子矢量电压分量V_sαref和V_sβref；

步骤8、将所述V_sαref和V_sβref输入控制电路板(4)中的空间矢量PWM发生器，从而获得六路控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6；

步骤9、所述六路控制信号经过控制电路板(4)中的电压源逆变器产生三相电压，从而使得所述控制电路板(4)能利用所述三相电压驱动轮毂电机(1)输出转矩，以保持独轮滑板车的平衡状态。

本发明所述的自平衡独轮滑板车的平衡控制方法的特点也在于：所述独轮滑板车的行驶速度与所述角度误差e_sθ成正比；当角度误差e_sθ越大，则轮毂电机的输出转矩越大，使得独轮滑板车的行驶速度也越快。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明中的独轮滑板车结构简单、布置合理、易于操作。

2、本发明采用光电开关作为独轮滑板车的启停信号，使得控制方法简单、可靠性高，并且降低成本和驾驶难度。

3、本发明采用先进的六轴传感器采集独轮滑板车的三轴加速度和角速度，并通过四元数算法融合结算精确获取独轮滑板车踏板的俯仰角，精度高。

4、本发明三次采用PID控制算法进行控制，形成闭环控制，使得轮毂电机输出准确、可靠。

5、本发明采用一种方法使刚接通电源的滑板车逐渐抬起到水平位置，避免刚接通电源时因为滑板车与水平位置角度过大使得轮毂电机输出的力矩过大，使驾驶者摔倒。

附图说明

图1是独轮滑板车的结构示意图；

图2是独轮滑板车去除左踏板、右踏板后控制电路板和蓄电池的安装示意图；

图3是独轮滑板车启动流程图；

图4是独轮滑板车停车流程图；

图中标号：1轮毂电机；2a左光电开关；2b右光电开关；3a左踏板；3b右踏板；4控制电路板；5蓄电池。

具体实施方式

具体实施中，该轮毂电机采用无刷直流电机；

如图1和图2所示，一种自平衡独轮滑板车，包括：车架6、左踏板3a、右踏板3b、控制电路板4、蓄电池5和轮毂电机1；在车架6的中间位置上设置有轮毂电机1；在车架6的两端分别对称布置有左踏板3a和右踏板3b；在左踏板3a和右踏板3b的下方分别嵌入控制电路板4和蓄电池5；

在左踏板3a右踏板3b上分别布置有左光电开关2a和右光电开关2b；控制电路板4获取左光电开关2a和右光电开关2b的开关状态，从而控制独轮滑板车的启停。

如图3所示，一种自平衡独轮滑板车的启动方法，是按如下步骤进行：

步骤1、开启独轮滑板车电源，使得蓄电池接通，控制电路板中系统初始化；

步骤2、控制电路板4利用ADC实时采集轮毂电机1的负载电流，并利用六轴传感器实时采集左踏板3a与水平面的夹角，并将电源刚接通时所测得的角度值赋给角度变量目标俯仰角θ_r。

步骤3、控制电路板4获取左光电开关2a和右光电开关2b的开关状态并进行判断，当左光电开关2a和右光电开关2b对应的IO口均无信号时，表示左光电开关2a和右光电开关2b均被踩下，执行步骤4；否则，仍然执行步骤3；当左光电开关2a和右光电开关2b均被踩下，即开始运行平衡控制程序；

步骤4、控制电路板中的平衡控制程序每运行一遍，设置目标俯仰角θ_r的值减少α，并将所得结果重新赋给θ_r，依次循环；若θ_r等于0，则滑板车踏板已经到了水平位置，表示启动完成，并且步骤4结束运行，θ_r保持为0；否则，仍然执行步骤4；例如本发明中电源刚接通时所测得的角度值为8度，将θ_r赋值为8，程序运行频率为6000Hz，设定3秒后启动完成，则α的取值为α＝8/6000*3＝0.000444度。其他结构类似的独轮滑板车都可以采用本发明的启动方法，设定的启动时间以驾驶的舒适性为准。

步骤4的内容称为软启动程序。

如图4所示，一种自平衡独轮滑板车的停车方法，是按如下步骤进行：

当任意一个光电开关松开，控制电路板检测到光电开关对应的IO信号，判断为停车信号，控制电路板中平衡控制程序关闭，驾驶员下车。

一种自平衡独轮滑板车的平衡控制方法，按如下步骤进行：

步骤1、控制电路板4通过六轴传感器分别获取独轮滑板车的三轴角速度和三轴加速度，并采用四元数算法对三轴角速度和三轴加速度行融合解算，得到四元数，再由四元数与欧拉角的换算公式，解得欧拉角中的俯仰角θ_c，并作为独轮滑板车的实际俯仰角；

步骤2、利用式(1)计算角度误差e_sθ：

e_sθ＝θ_r-θ_c(1)

式(1)中，θ_r表示所设定的目标俯仰角；

步骤3、利用式(2)所示的PID算法求解出转矩电流基准i_sqref：

$i_{sqref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{s\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{s\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{de}}_{s\mathrm{\θ}}}{dt}---\left(2\right)$

式(2)，为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

步骤4、控制电路板4通过ADC采集轮毂电机1的两相电流i_a和i_b，并对两相电流i_a和i_b分别进行Clarke变换和Park变换，解算出实际转矩电流i_sq和实际励磁电流i_sd；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得转矩电流误差e_sq和励磁电流误差e_sd：

e_sq＝i_sqref-i_sq(3)

e_sd＝i_sdref-i_sd(4)

式(4)中，i_sdref表示所设定的励磁电流基准；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PID算法求解交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref：

$V_{sqref}=K_p^q{e}_{sq}+K_i^q\∫e_{sq}dt+K_d^q\frac{{\mathrm{de}}_{sq}}{dt}---\left(5\right)$

$V_{sdref}=K_p^d{e}_{sd}+K_i^d\∫e_{sd}dt+K_d^d\frac{{\mathrm{de}}_{sd}}{dt}---\left(6\right)$

式(5)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为转矩电流环微分系数；

式(6)中，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数，为励磁电流环微分系数；

步骤7、根据交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref，利用Park反变换求解出静止正交基准框架下的定子矢量电压分量V_sαref和V_sβref；

步骤8、将V_sαref和V_sβref输入控制电路板4中的空间矢量PWM发生器，从而获得六路控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6；

步骤9、六路控制信号经过控制电路板4中的电压源逆变器产生三相电压，从而使得控制电路板4能利用三相电压驱动轮毂电机1输出转矩，以保持独轮滑板车的平衡状态。

一种自平衡独轮滑板车的平衡控制方法中，独轮滑板车的行驶速度与角度误差e_sθ成正比；当角度误差e_sθ越大，则轮毂电机1的输出转矩越大，使得独轮滑板车的行驶速度也越快。例如，驾驶员身体左倾，滑板车向左行驶，倾斜的角度越大，速度越快；身体右倾，滑板车向右行驶，倾斜的角度越大，速度越快；需要减速时身体向相反方向倾斜即可。平衡控制方法中的各个参数由滑板车本身的外形参数以及轮毂电机1决定。

平衡控制方法即平衡控制程序。

Claims (5)

1.一种自平衡独轮滑板车，包括：车架(6)、左踏板(3a)、右踏板(3b)、控制电路板(4)、蓄电池(5)和轮毂电机(1)；在所述车架(6)的中间位置上设置有所述轮毂电机(1)；在所述车架(6)的两端分别对称布置有所述左踏板(3a)和右踏板(3b)；在所述左踏板(3a)和右踏板(3b)的下方分别嵌入所述控制电路板(4)和蓄电池(5)；其特征是：

在所述左踏板(3a)右踏板(3b)上分别布置有左光电开关(2a)和右光电开关(2b)；所述控制电路板(4)获取所述左光电开关(2a)和右光电开关(2b)的开关状态，从而控制所述独轮滑板车的启停。

2.一种自平衡独轮滑板车的启动方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、开启独轮滑板车电源，使得蓄电池接通，控制电路板中系统初始化；

步骤2、控制电路板(4)利用ADC实时采集轮毂电机(1)的负载电流，并利用六轴传感器实时采集左踏板(3a)与水平面的夹角，并将电源刚接通时所测得的角度值赋给角度变量目标俯仰角θ_r；

步骤3、控制电路板(4)获取左光电开关(2a)和右光电开关(2b)的开关状态并进行判断，当左光电开关(2a)和右光电开关(2b)对应的IO口均无信号时，表示左光电开关(2a)和右光电开关(2b)均被踩下，执行步骤4；否则，仍然执行步骤3；当左光电开关(2a)和右光电开关(2b)均被踩下，即开始运行平衡控制程序；

步骤4、控制电路板中的平衡控制程序每运行一遍，设置目标俯仰角θ_r的值减少α，并将所得结果重新赋给θ_r，依次循环；若θ_r等于0，则滑板车踏板已经到了水平位置，表示启动完成，并且步骤4结束运行，θ_r保持为0；否则，仍然执行步骤4。

3.一种自平衡独轮滑板车的停车方法，其特征是按如下步骤进行：

当任意一个光电开关松开，控制电路板检测到光电开关对应的IO信号，判断为停车信号，控制电路板中平衡控制程序关闭。

4.一种自平衡独轮滑板车的平衡控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、控制电路板(4)通过六轴传感器分别获取独轮滑板车的三轴角速度和三轴加速度，并采用四元数算法对所述三轴角速度和三轴加速度行融合解算，得到四元数，再由四元数与欧拉角的换算公式，解得欧拉角中的俯仰角θ_c，并作为独轮滑板车的实际俯仰角；

步骤2、利用式(1)计算角度误差e_sθ：

e_sθ＝θ_r-θ_c(1)

式(1)中，θ_r表示所设定的目标俯仰角；

步骤3、利用式(2)所示的PID算法求解出转矩电流基准i_sqref：

式(2)，为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

步骤4、控制电路板(4)通过ADC采集轮毂电机(1)的两相电流i_a和i_b，并对所述两相电流i_a和i_b分别进行Clarke变换和Park变换，解算出实际转矩电流i_sq和实际励磁电流i_sd；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得转矩电流误差e_sq和励磁电流误差e_sd：

e_sq＝i_sqref-i_sq(3)

e_sd＝i_sdref-i_sd(4)

式(4)中，i_sdref表示所设定的励磁电流基准；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PID算法求解交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref：

式(5)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为转矩电流环微分系数；

式(6)中，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数，为励磁电流环微分系数；

步骤7、根据所述交轴电压V_sqref和直轴电压V_sdref，利用Park反变换求解出静止正交基准框架下的定子矢量电压分量V_sαref和V_sβref；

步骤8、将所述V_sαref和V_sβref输入控制电路板(4)中的空间矢量PWM发生器，从而获得六路控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6；

步骤9、所述六路控制信号经过控制电路板(4)中的电压源逆变器产生三相电压，从而使得所述控制电路板(4)能利用所述三相电压驱动轮毂电机(1)输出转矩，以保持独轮滑板车的平衡状态。

5.根据权利要求4所述的自平衡独轮滑板车的平衡控制方法，其特征是：所述独轮滑板车的行驶速度与所述角度误差e_sθ成正比；当角度误差e_sθ越大，则轮毂电机(1)的输出转矩越大，使得独轮滑板车的行驶速度也越快。