CN105799829B - 一种人机交互运动车的运动控制方法以及运动控制系统 - Google Patents
一种人机交互运动车的运动控制方法以及运动控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种人机交互运动车的运动控制方法，其包括以下步骤：(1)分别感测两个脚踏区域上的踩踏信号，并感测人机交互运动车的行驶速度V；(2)根据每个脚踏区域上的踩踏信号判断该脚踏区域是否有人站立，当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进行以下步骤(3)；(3)将感测到的人机交互运动车的行驶速度V与一预设的参考速度V0进行大小比较；(4)当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。本发明还提供一种人机交互运动车的运动控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动控制系统以及方法，尤其涉及一种人机交互运动车的运动控制系统以及方法。
背景技术
人机交互运动车，又叫体感车、思维车，其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。
目前的人机交互运动车(即平衡车)利用脚的运动姿态而实现对人机交互运动车的运动状态的控制。然而，现有的人机交互运动车为一个脚踏平台，上车时当使用者单脚踩踏于所述人机交互运动车上时，运动控制系统会开始工作，其控制两个车轮同时运动，而造成上车具有很大的危险。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种人机交互运动车的运动控制系统和方法。
本发明提供一种人机交互运动车的运动控制方法，所述人机交互运动车包括两个车轮，该两个车轮之间设有两个脚踏区域，该两个脚踏区域分别与位于其一侧的车轮对应，该运动控制方法包括以下步骤：
(1)分别感测两个脚踏区域上的踩踏信号，并感测人机交互运动车的行驶速度V；
(2)根据每个脚踏区域上的踩踏信号判断该脚踏区域是否有人站立，当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进行以下步骤(3)；
(3)将感测到的人机交互运动车的行驶速度V与一预设的参考速度V0进行大小比较；
(4)当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
优选的，在步骤(3)之后还包括以下步骤：当人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。
优选的，当人机交互运动车的行驶速度大于等于参考速度V0，并在一预定时间t0内仅感测到一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动该两个车轮以相同的转速转动。
优选的，所述预定时间t0为1秒～3秒。
优选的，在步骤(4)中对应于无人站立的脚踏区域的一侧的车轮未被驱动。
优选的，该参考速度V0为0.5米每秒～1米每秒。
优选的，通过感测使用者的姿态变化而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。
本发明还提供一种人机交互运动车的运动控制系统，所述人机交互运动车包括两个车轮，该两个车轮之间设有两个脚踏区域，该两个脚踏区域分别与位于其一侧的车轮对应，该运动控制系统包括：
传感器，其用于分别感测脚踏区域的踩踏信号并传递所感测的踩踏信号；
控制器，其用于接收所述传感器传递的踩踏信号并根据该踩踏信号以及将人机交互运动车的行驶速度V与一参考速度V0进行比较而进行判断进而驱动车轮转动：当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进一步判断人机交互运动车的行驶速度V与参考速度V0的大小关系：当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
优选的，当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0时，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。
优选的，当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，并在一预定时间t0内仅接收到同一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动人机交互运动车的两个车轮以相同的转速转动。
优选的，所述预定时间t0为1秒～3秒。
优选的，所述控制器判断人机交互运动车的行驶速度V小于参考速度V0，且仅接收到同一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮，同时对应于无人站立的脚踏区域的一侧的车轮未被驱动。
优选的，所述参考速度V0为0.5米每秒～1米每秒。
优选的，该控制器通过由传感器传递的对应于使用者的姿态变化的踩踏信号而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。
优选的，所述传感器为红外光电传感器开关、微波感应开关或超声波感应开关。
相较于现有技术，本发明所述人机交互运动车的运动控制系统以及方法具有以下优点：
通过判断踩踏信号以及比较人机交互运动车的行驶速度V与参考速度V0的大小，而可清楚的分辨上车的状态还是在行驶的状态。当仅一个脚踏区域存在踩踏信号，且行驶速度V在参考速度V0以下，判断为上车状态，即驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面，而另一侧的车轮由于其脚踏区域无人站立而未感测到踩踏信号即未被驱动而处于静止状态。此时，上车的这一过程可视为平衡控制系统处于启动状态。
当仅一个脚踏区域存在踩踏信号，且行驶速度V在参考速度V0以上，亦判断为行驶的状态，此时控制器会对另一脚踏区域的踩踏信号进行补偿，而控制驱动两个车轮转动。
当两个脚踏区域均感测到踩踏信号，此时控制器会根据接收的两个踩踏信号而控制驱动两个车轮转动，并控制该两个脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
在上车之前，人机交互运动车不运动；当单脚站立于人机交互运动车上后，仅一个脚踏区域会有踩踏信号，传感器将该感测的踩踏信号传至控制器，控制器仅驱动对应于该单脚所在一侧的车轮；而另一个脚踏区域由于未感测到踩踏信号，因而其对应的该侧车轮不被驱动。该方法避免了上车的过程中单脚脚踏时两个车轮同时被驱动而盲目运动的情形，其通过单边感应单边驱动的方式，可保证使用者上车时的安全。
另外，该控制器根据使用者的姿态变化而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。该方法并不同于现有的运动控制方法中根据使用者的姿态变化而控制所述人机交互运动车的运动方向。就现有的运动控制方法而言，在人机交互运动车向前行驶的过程中，当使用者的重心通过向后移动而欲实现后退，此时控制器会直接控制车体的行驶速度反向而转为向后，这会造成骑行者因人机交互运动车突然的反向运动而摔倒。而本方法中采用改变加速度的方向的方式，在人机交互运动车向前行驶的过程中，此时加速度为零或为正值，当使用者的重心向后，控制器将加速度的方向改为相反即加速度为负值，此时会留有一段缓冲的减速过程，之后车体再后退。可见本发明所述运动控制方法更为安全。
附图说明
图1为人机交互运动车的运动控制方法的流程图；
图2为所述人机交互运动车的结构分解图。
其中，10表示人机交互运动车；1a表示第一安装板；1a1表示第一面；2表示转动结构；3a表示第一车轮；4a表示右顶盖；4a1表示凹陷部；4a2表示踏板；4a3表示脚垫；4a4表示弧形凸罩；5表示底盖；6表示电源；7表示电路板。
具体实施方式
下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种人机交互运动车10的运动控制方法。该运动控制方法包括以下步骤：
(1)分别感测两个脚踏区域上的踩踏信号，并感测人机交互运动车的行驶速度V；
(2)根据每个脚踏区域上的踩踏信号判断该脚踏区域是否有人站立，当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进行以下步骤(3)，否则跳转至步骤(1)；
(3)将感测到的人机交互运动车的行驶速度V与一预设的参考速度V0进行大小比较；
(4)当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
进一步的，在步骤(3)之后还包括以下步骤(5)：当人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。
所述人机交互运动车10包括两个车轮，该两个车轮之间设有两个脚踏区域。具体的，请参阅图2，该人机交互运动车10包括安装板、转动结构2、第一车轮3a、第二车轮(图未标)、轮毂电机。所述安装板包括对称设置且可相互转动的第一安装板1a和第二安装板(图未标)。所述安装板可直接作为使用者的脚踏板，也可通过在所述安装板上设一顶盖。该顶盖的表面平行于该安装板的表面，该顶盖即作为使用者的脚踏板。本实施例中，所述第一安装板1a以及第二安装板的上表面即可视为脚踏区域。所述安装板的力学强度较大，可作为所述人机交互运动车10的总承重结构。所述安装板的材料可为铝、铁、合金等材料。传感器可设于该安装板上。传感器的数量不限，可为一个、一组或多组。
所述第一安装板1a与第二安装板为转动连接。所述转动结构2用于连接所述第一安装板1a以及第二安装板，并使第一安装板1a与第二安装板可相对转动。即，所述第一安装板1a与第二安装板通过该转动结构2而实现转动连接。所述第一车轮3a、第二车轮分别自所述安装板相对的两侧延伸而出。该第一车轮3a、第二车轮固定在所述安装板的两侧且可绕所述安装板转动。该轮毂电机轮毂电机用于驱动第一车轮3a、第二车轮运动。该轮毂电机的数目以及安装位置不限。本实施例中，轮毂电机的数量为两个，分别设置于该第一车轮3a、第二车轮内。
所述顶盖可包括左顶盖以及右顶盖4a。所述右顶盖4a的第一面4a1及左顶盖的第一面(图未示)各安装有一电路板7。所述右顶盖4a远离所述第一安装板1a的第二面的表面的中间位置设有一凹陷部4a1。所述凹陷部4a1内设有踏板4a2以及覆于所述踏板4a2上的脚垫4a3。所述脚垫4a3上设有多个增加摩擦的摩擦条(图未标)。进一步的，所述左顶盖和右顶盖4a均连有一弧形凸罩。以右顶盖4a为例，所述右顶盖4a连有弧形凸罩4a4。该弧形凸罩4a4的第一端卡于所述凹陷部4a1，与该第一端相对的第二端位于第一车轮3a的上方且覆盖第一车轮3a的一部分。所述弧形凸罩4a4的第一端的轮廓与所述凹陷部4a1的轮廓相啮合，以保证二者可相互配合卡接。可以理解，在所述安装板的下方可设置一底盖5。
该运动控制系统包括控制器、传感器、以及电源6。所述控制器可安装于所述第一安装板1a和/或第二安装板。所述传感器可安装于所述第一安装板与第二安装板。所述电源6可固定于所述第一安装板1a和/者第二安装板。所述控制器与所述传感器、电源6、轮毂电机电性连接。
所述传感器可为红外光电传感器开关、微波感应开关或超声波感应开关等。所述传感器用于感测踏板区域的踩踏信号，并将该感测的踩踏信号传递至控制器。
在步骤(3)中，该参考速度V0根据具体情况而设定。本实施例中，该参考速度V0为0.5米每秒～1米每秒。
在步骤(4)中，当人机交互运动车的行驶速度V小于参考速度V0时，驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮，而另一车轮静止。此时，所述控制器根据踩踏信号驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮运动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。该过程主要是应用在车辆启动过程，在车辆启动时，通常仅有一个脚踏区域内先有人站立时，该脚踏区域将受到人向后的拨动力，对应于该脚踏区域的车轮也会较大的摩擦力，驱动该车轮转动就会形成一个补偿力，使得脚踏区域受力基本平衡，这样脚踏区域的表面基本可以与水平面平行，方便人员在人机交互运动车启动时站立到上面。举例来说，定义第一安装板1a的上表面为第一踏板区域，第二安装板的上表面为第二踏板区域。第一安装板1a的一侧的车轮为第一车轮3a，第二安装板的一侧的车轮为第二车轮。当传感器仅感测到第一脚踏区域的踩踏信号，并且行驶速度V小于参考速度V0时，控制器根据该感测的踩踏信号而驱动第一车轮3a，并控制第一脚踏区域的表面(即第一安装板1a)趋向平行于水平面，而对应于无人站立的脚踏区域的一侧的第二车轮未被驱动而不转动。该参考速度V0可为0.5米每秒～1米每秒。
在上车之前，该人机交互运动车10为静止状态，其行驶速度V为零，此时当一只脚踏于一个脚踏区域时，传感器仅感测到一个脚踏区域的踩踏信号时，对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮被驱动，而对应于无踩踏信号的一侧的车轮则未被驱动。
当人的两只脚均站立于所述人机交互运动车10之后，所述传感器会感测到两个脚踏区域的踩踏信号，此时控制器会根据接收的两个踩踏信号而控制驱动两个车轮转动，并控制该两个脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
在下车之后，两个脚踏区域上没有踩踏，所述传感器没有感测到两个脚踏区域的踩踏信号，此时，两个车轮均未被驱动而静止。
在步骤(5)中，当人机交互运动车10的行驶速度V大于等于参考速度V0，则不考虑踩踏信号时来源于同一个脚踏区域还是两个脚踏区域，控制器均会判断人机交互运动车10处于行驶状态，而控制驱动两个车轮转动。具体的，当行驶速度V大于等于参考速度V0，且在预定时间t0内传感器仍然仅感测到一个脚踏区域的踩踏信号时，控制器会对另一脚踏区域的踩踏信号进行补偿而最终驱动两个车轮以相同的转速转动。该过程主要应用于在车辆的行驶过程中，使用者在车辆行驶时单脚站立，使其中一个脚得到休息，而实现驱动两个车轮同时转动，避免行驶过程中对应于无人站立的一侧车轮不被驱动造成一个车轮快一个车轮慢而车体转弯，单脚站立一旦发生转弯就会引起伤害。可见，本发明运动控制方法安全系数更高。所述预定时间t0根据具体情况而预先设定。本实施例中，所述预定时间t0为1秒～3秒。
控制器通过由传感器传递的对应于使用者的姿态变化的踩踏信号而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。具体的，当使用者的重心向前，加速度为正值，加速度的方向与运动的方向相同，则人机交互运动车10加速前进。当使用者的重心稳定，加速度为零，则人机交互运动车10匀速前进。当使用者的重心向后，加速度为负值，加速度的方向与运动的方向相反，则人机交互运动车10先减速前进，之后加速后退。该方法并不同于现有的运动控制方法中通过感测使用者的姿态变化而控制所述人机交互运动车的运动方向。就现有的运动控制方法而言，在人机交互运动车向前行驶的过程中，当使用者的重心通过向后移动而欲实现后退，此时控制器会直接控制车体的行驶速度反向而转为向后，这会造成骑行者因人机交互运动车突然的反向运动而摔倒。相比之下，本方法中采用控制加速度的方式，当使用者的重心向后，会有一段缓冲的减速过程，因此所述控制器控制加速度的方式更为安全。
所述电源与所述控制器电连接，用于给所述第一车轮3a以及第二车轮的运动提供电力。
本发明还提供了一种人机交互运动车10的运动控制系统。所述人机交互运动车10通过所述运动控制系统进行运动控制。该运动控制系统包括传感器和控制器。该传感器用于分别感测脚踏区域的踩踏信号并传递所感测的踩踏信号。该控制器用于接收所述传感器传递的踩踏信号并根据该踩踏信号以及将人机交互运动车的行驶速度V与一参考速度V0进行比较而进行判断进而驱动车轮转动。当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进一步判断人机交互运动车的行驶速度V与参考速度V0的大小关系。当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的表面趋向平行于水平面，同时对应于无人站立的脚踏区域的一侧的车轮未被驱动。
当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0时，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。此时，优选的，当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，并在一预定时间t0内仅接收到同一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动人机交互运动车的两个车轮以相同的转速转动。所述预定时间t0为1秒～3秒。
该控制器通过由传感器传递的对应于使用者的姿态变化的踩踏信号而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (15)
1.一种人机交互运动车的运动控制方法，所述人机交互运动车包括两个车轮，该两个车轮之间设有两个脚踏区域，该两个脚踏区域分别与位于其一侧的车轮对应，其特征在于，该运动控制方法包括以下步骤：
(1)分别感测两个脚踏区域上的踩踏信号，并感测人机交互运动车的行驶速度V；
(2)根据每个脚踏区域上的踩踏信号判断该脚踏区域是否有人站立，当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进行以下步骤(3)；
(3)将感测到的人机交互运动车的行驶速度V与一预设的参考速度V0进行大小比较；
(4)当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该有人站立的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该有人站立的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
2.如权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，在步骤(3)之后还包括以下步骤：当人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。
3.如权利要求2所述的运动控制方法，其特征在于，当人机交互运动车的行驶速度大于等于参考速度V0，并在一预定时间t0内仅感测到一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动该两个车轮以相同的转速转动。
4.如权利要求3所述的运动控制方法，其特征在于，所述预定时间t0为1秒～3秒。
5.如权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，对应于无人站立的脚踏区域的一侧的车轮未被驱动。
6.如权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，该参考速度V0为0.5米每秒～1米每秒。
7.如权利要求1～6中任一项所述的运动控制方法，其特征在于，通过感测使用者的姿态变化而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。
8.一种人机交互运动车的运动控制系统，所述人机交互运动车包括两个车轮，该两个车轮之间设有两个脚踏区域，该两个脚踏区域分别与位于其一侧的车轮对应，其特征在于，该运动控制系统包括：
传感器，其用于分别感测脚踏区域的踩踏信号并传递所感测的踩踏信号；
控制器，其用于接收所述传感器传递的踩踏信号并根据该踩踏信号以及将人机交互运动车的行驶速度V与一参考速度V0进行比较而进行判断进而驱动车轮转动：当判断出仅有一个脚踏区域有人站立时，进一步判断人机交互运动车的行驶速度V与参考速度V0的大小关系：当人机交互运动车的行驶速度V小于该参考速度V0，驱动对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮转动，并控制该对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的表面趋向平行于水平面。
9.如权利要求8所述的运动控制系统，其特征在于，当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0时，驱动人机交互运动车的两个车轮转动。
10.如权利要求9所述的运动控制系统，其特征在于，当该控制器判断人机交互运动车的行驶速度V大于等于参考速度V0，并在一预定时间t0内仅接收到同一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动人机交互运动车的两个车轮以相同的转速转动。
11.如权利要求10所述的运动控制系统，其特征在于，所述预定时间t0为1秒～3秒。
12.如权利要求8所述的运动控制系统，其特征在于，所述控制器判断人机交互运动车的行驶速度V小于参考速度V0，且仅接收到同一个脚踏区域的踩踏信号时，控制驱动对应于该感测的踩踏信号的脚踏区域的一侧的车轮，同时对应于无人站立的脚踏区域的一侧的车轮未被驱动。
13.如权利要求8所述的运动控制系统，其特征在于，所述参考速度V0为0.5米每秒～1米每秒。
14.如权利要求8～13任一项所述的运动控制系统，其特征在于，该控制器通过由传感器传递的对应于使用者的姿态变化的踩踏信号而控制所述人机交互运动车的加速度为正值、零或负值。
15.如权利要求8所述的运动控制系统，其特征在于，所述传感器为红外光电传感器开关、微波感应开关或超声波感应开关。
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- 2016-03-17 CN CN201610153421.7A patent/CN105799829B/zh active Active
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