CN107097896A - 自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车 - Google Patents

自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车 Download PDF

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杨智祥
许嘉胜
王郁训
范启尉
白金洲
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Abstract

本发明关于一种自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车，此自平衡车的方向控制方法包括下列步骤：在一自平衡车的一脚踏板下方，设置多个方向控制单元，其中，每一该些方向控制单元包括一第一导体板、一第二导体板以及一软性材料，其中，上述软性材料配置于一第一导体板与第二导体板之间；分别测量上述多个方向控制单元的第一导体板与第二导体板之间的电容值；以及根据每一方向控制单元的电容值以及每一方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定该自平衡车的移动方向。本发明可以利用电容感应装置的形变，判断两脚的重心，藉以控制自平衡车的移动方向。

Description

自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车
技术领域
本发明是关于一种自平衡车的技术，更进一步来说，本发明是关于一种自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车。
背景技术
随着科技的进步，电子技术已经由最早的真空管、晶体管，进展到集成电路芯片。其用途十分的广泛，也因此，电子产品也渐渐的成为现代人生活中不可或缺的生活必需品。2001年美国的Dean Kamen与DEKA公司团队推出同轴两轮速克达(Segway Scooter)。如图1所示，图1绘示为背景技术的同轴两轮速克达的示意图。请参考图1，此同轴两轮速克达的时速可达20公里，并使用了三个陀螺仪来掌控车身平衡，另外还加装两个陀螺仪作备用，而其扶手与底盘之间采用旋转对相连接，它可让驾驶者在进行过弯动作时能够随身体倾斜扶持。
传统的自平衡两轮车是使用把手(龙头)使车辆左右两个车轮产生转速差，例如当把手向左转时，右轮的转速会比左轮快，达到向左转的效果。但问题在于，左右方向的控制却依然无法脱离双手的操纵，这样一来，自平衡所带来的极致体验便被左右方向控制所干扰，毕竟，这种操作模式已与普通电动车无异。小米的“九号机器人”则是使用腿控，试图解决这一问题，但实际效果却是灵敏度的下降和用户下半身的高度紧张。现有的无把手自平衡车是采用左右两个独轮各自控制，结构略显复杂。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车，用以利用电容感应装置的形变，判断两脚的重心，藉以控制自平衡车的移动方向。
有鉴于此，本发明提供一种自平衡车的方向控制方法，此自平衡车的方向控制方法包括下列步骤：在一自平衡车的一脚踏板下方，设置多个方向控制单元，其中，每一该些方向控制单元包括一第一导体板、一第二导体板以及一软性材料，其中，上述软性材料配置于一第一导体板与第二导体板之间；分别测量上述多个方向控制单元的第一导体板与第二导体板之间的电容值；以及根据每一方向控制单元的电容值变化量以及每一方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定该自平衡车的移动方向。
本发明另外提出一种自平衡车。此自平衡车包括一移动元件、一第一脚踏板、一第二脚踏板以及一控制电路。移动元件用以让自平衡车移动位置。第一脚踏板包括多个第一方向控制单元。第二脚踏板包括多个第二方向控制单元。控制电路耦接移动元件、上述多个第一方向控制单元以及上述多个第二方向控制单元。上述每一第一方向控制单元以及上述每一第二方向控制单元分别包括一第一导体板、一第二导体板以及一软性材料。上述软性材料配置于第一导体板与第二导体板之间。控制电路分别测量第一方向控制单元的第一导体板与第二导体板之间的电容值以及测量第二方向控制单元的第一导体板与第二导体板之间的电容值。控制电路根据每一该些方向控制单元的电容值变化量以及每一该些方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定该自平衡车的移动方向。
依照本发明较佳实施例所述的自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车，上述控制电路分别利用第一脚踏板与该第二脚踏板上的方向控制单元测量重心。若第一脚踏板的重心靠右，且第二脚踏板的重心靠右，则控制电路控制自平衡车右转。若第一脚踏板的重心靠左，且第二脚踏板的重心靠左，则控制电路控制自平衡车左转。在进一步实施例中，第一脚踏板是左脚踏板，第二脚踏板是右脚踏板。若左脚踏板的重心靠前，且右脚踏板的重心靠后，则控制电路控制自平衡车原地右转。若左脚踏板的重心靠后，且右脚踏板的重心靠前，则控制电路控制自平衡车原地左转。
依照本发明较佳实施例所述的自平衡车的方向控制方法以及使用其的自平衡车，上述第一脚踏板包括一第一方向控制单元、一第二方向控制单元、一第三方向控制单元以及一第四方向控制单元。上述第二脚踏板包括一第五方向控制单元、一第六方向控制单元、一第七方向控制单元以及一第八方向控制单元。第一方向控制单元、第二方向控制单元、第三方向控制单元以及第四方向控制单元分别具有一第一坐标(X1，Y1)、一第二坐标(X2，Y2)、一第三坐标(X3，Y3)以及一第四坐标(X4，Y4)。第五方向控制单元、第六方向控制单元、第七方向控制单元以及第八方向控制单元分别具有一第五坐标(X5，Y5)、一第六坐标(X6，Y6)、一第七坐标(X7，Y7)以及一第八坐标(X8，Y8)。控制电路分别获得第一方向控制单元、第二方向控制单元、第三方向控制单元以及第四方向控制单元的电容值变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4。控制电路根据上述电容值变化量，计算重心坐标如下：XW1＝(ΔC1×X1+ΔC2×X2+ΔC3×X3+ΔC4×X4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；YW1＝(ΔC1×Y1+ΔC2×Y2+ΔC3×Y3+ΔC4×Y4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；其中，(XW1，YW1)为第一脚踏板上的重心坐标。控制电路分别获得第五方向控制单元、第六方向控制单元、第七方向控制单元以及第八方向控制单元的电容值变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8；控制电路根据上述电容值变化量，计算重心坐标如下：XW2＝(ΔC5×X5+ΔC6×X6+ΔC7×X7+ΔC8×X8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)；YW2＝(ΔC5×Y5+ΔC6×Y6+ΔC7×Y7+ΔC8×Y8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)；其中，(XW2，YW2)为第二脚踏板上的重心坐标。
本发明的精神在于利用脚踏板下方设置多个电容感应元件作为方向控制单元，并通过电容感应元件的两金属板之间距离以及方向控制单元的坐标，判断使用者的两脚的重心，藉此判断自平衡车的行进、转弯等控制。故本发明利用相对简单的结构，控制自平衡车的行进方向。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1绘示为背景技术的同轴两轮速克达的示意图。
图2绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的系统方块图。
图3绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制单元D21、D22、D23、D24、D25、D26、D27以及D28的结构示意图。
图4绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的流程图。
图5绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的步骤S404的子步骤流程图。
附图标号
200：移动元件
201：第一脚踏板
202：第二脚踏板
203：控制电路
D21、D22、D23以及D24：第一方向控制单元
D25、D26、D27以及D28：第二方向控制单元
301：第一导体板
302：第二导体板
303：软性材料
304：印刷电路板
S401～S404：本发明较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的各步骤
S501～S503：本发明较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的步骤S404的各个子步骤
具体实施方式
图2绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的系统方块图。请参考图2，此自平衡车包括一移动元件200、一第一脚踏板201、一第二脚踏板202以及一控制电路203。移动元件200用以让自平衡车移动位置。第一脚踏板201包括四个第一方向控制单元D21、D22、D23以及D24。第二脚踏板202包括四个第二方向控制单元D25、D26、D27以及D28。控制电路203耦接移动元件200、四个第一方向控制单元D21、D22、D23以及D24以及四个第二方向控制单元D25、D26、D27以及D28。移动元件200例如是轮子、一万向球或一万向轮等，本发明不以此为限。
图3绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制单元D21、D22、D23、D24、D25、D26、D27以及D28的结构示意图。请参考图3，此方向控制单元的结构包括一第一导体板301、一第二导体板302、一软性材料303以及一印刷电路板304。印刷电路板304用以将第二导体板302耦接至控制电路203。第一导体板301的功能作为接地板。当使用者用脚踩上脚踏板时，第一导体板301承受下压的压力使软性材料303变形，导致第二导体板302与第一导体板301之间的距离改变，造成第一导体板301与第二导体板302之间的电容改变。又，根据下压位置的不同、下压力道的不同，每一个第二导体板302与第一导体板301之间的距离会有所不同。
举例来说，一开始脚掌平均的踩在四个方向控制单元上时，此时，四个方向控制单元形成一个电容初始值。之后，当脚的重心改变时，四个方向控制单元的第一导体板301与第二导体板302之间的距离就会有增有减。例如，当使用者的脚往左偏时，左边的两个方向控制单元的第一导体板301与第二导体板302之间的距离会变短，右边的两个方向控制单元的第一导体板301与第二导体板302之间的距离会变长。因此，只要检测每一个方向控制单元D21、D22、D23、D24、D25、D26、D27以及D28的电容值，便可以检测到使用者的脚的重心位置。
举例来说，第一脚踏板201的第一方向控制单元D21、D22、D23以及D24分别具有一第一坐标(X1，Y1)、一第二坐标(X2，Y2)、一第三坐标(X3，Y3)以及一第四坐标(X4，Y4)。第二脚踏板202的第二方向控制单元D25、D26、D27、D28分别具有一第五坐标(X5，Y5)、一第六坐标(X6，Y6)、一第七坐标(X7，Y7)以及一第八坐标(X8，Y8)。控制电路203测量第一脚踏板201上的使用者的脚所施力的重心的方法包括：
步骤1：由控制电路203撷取第一方向控制单元D21、D22、D23以及D24的电容值的变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4。
步骤2：根据上述电容值的变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4，计算重心坐标如下：
XW1＝(ΔC1×X1+ΔC2×X2+ΔC3×X3+ΔC4×X4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)
YW1＝(C1×Y1+ΔC2×Y2+ΔC3×Y3+ΔC4×Y4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)
其中，(XW1，YW1)为该第一脚踏板201上的重心坐标。
同样地，控制电路203测量第二脚踏板202上的使用者的脚所施力的重心的方法包括：
步骤1：由控制电路203撷取第二方向控制单元D25、D26、D27以及D28的电容值的变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8。
步骤2：根据上述电容值的变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8，计算重心坐标如下：
XW2＝(ΔC5×X5+ΔC6×X6+ΔC7×X7+ΔC8×X8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)
YW2＝(ΔC5×Y5+ΔC6×Y6+ΔC7×Y7+ΔC8×Y8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)
其中，(XW2，YW2)为该第二脚踏板202上的重心坐标。
另外，在控制自平衡车的行进方向的方面，控制电路203可以根据左右两脚的重心变化，来产生通知自平衡车的控制信号。两脚重心都在右边时，就控制自平衡车右转，一脚前，一脚后就原地左转或是右转。可以改善背景技术的自平衡车无法原地转弯的问题。让使用者的操控性更好。下表表一提供一种可行的控制方案。请参考下表表一。
表一
左脚重心 右脚重心 控制信号
左边 左边 左转
右边 右边 右转
前边 后边 原地右转
后边 前边 原地左转
上述实施例的重心偏移，一般来说的比较基准除了以踏板中心点位置外，还有一种就是记录使用者一开始站上自平衡车时所测量到的电容变化量后，获取初始的重心值，再利用此值计算重心的偏移。本发明不以此为限。上述实施例虽然是以左右脚踏板各四个方向控制单元做举例，然本领域技术人员应当知道，利用三个方向控制单元亦可以计算平面的重心。另外，若只考虑转弯的情况下，用两个方向控制单元便可以控制左转、右转。在此实施例只是示范性的举较佳实施方式。故，本发明不限制脚踏板配置的控制单元数量。
由上述实施例，本发明可以被归纳成为一个自平衡车的方向控制方法，图4绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的流程图。请参考图4，此自平衡车的方向控制方法包括下列步骤：
步骤S401：开始。
步骤S402：在一自平衡车的一脚踏板下方，设置多个方向控制单元。在此实施例中，每一个脚踏板201以及202下方分别设置四个方向控制单元D21、D22、D23、D24、D25、D26、D27以及D28。又，每一个方向控制单元包括第一导体板301、第二导体板302以及一软性材料303。此软性材料303配置于第一导体板301与第二导体板302之间
步骤S403：分别测量上述方向控制单元的第一导体板与第二导体板之间的电容值。控制电路203撷取电容值C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8。
步骤S404：根据每一方向控制单元的电容值变化量以及每一方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定自平衡车的移动方向。
又，步骤S404包含以下子步骤，如图5所示，图5绘示为本发明一较佳实施例的自平衡车的方向控制方法的步骤S404的子步骤流程图。请参考图5，步骤S404包括：
步骤S501：由第一脚踏板测量电容并据此计算重心。其中，通过每一个电容值的变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4与每一个对应的方向控制单元D21、D22、D23、D24的坐标计算出重心位置。
步骤S502：由第二脚踏板测量电容并据此计算重心。其中，通过每一个电容值的变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8与每一个对应的方向控制单元D25、D26、D27、D28的坐标计算出重心位置。
步骤S503：根据上述步骤S501与步骤S502所计算出的重心位置的坐标与中央位置的坐标的差距，判断出移动方式与移动量。移动方式可以参考上述表一，移动量(大小)则是例如根据重心位置的坐标与中央位置的坐标的差值，决定移动元件200的转速。一般来说，差值越大，移动速度越快。
综上所述，本发明的精神在于利用脚踏板下方设置多个电容感应元件作为方向控制单元，并通过电容感应元件的两金属板之间距离以及方向控制单元的坐标，判断使用者的两脚的重心，藉此判断自平衡车的行进、转弯等控制。故本发明利用相对简单的结构，控制自平衡车的行进方向。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。因此本发明的保护范围当权利要求所界定者为准。

Claims (8)

1.一种自平衡车的方向控制方法，其特征在于，包括：
在一自平衡车的一脚踏板下方，设置多个方向控制单元，其中，每一所述方向控制单元包括：
一第一导体板；
一第二导体板；以及
一软性材料，配置于所述第一导体板与所述第二导体板之间；
分别测量所述方向控制单元的所述第一导体板与所述第二导体板之间的电容值；以及
根据每一所述方向控制单元的电容值变化量以及每一所述方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定所述自平衡车的移动方向。
2.如权利要求1所述的自平衡车的方向控制方法，其特征在于，
所述自平衡车包括一第一脚踏板以及一第二脚踏板；
其中，所述自平衡车的方向控制方法更包括：
分别利用第一脚踏板与第二脚踏板上的方向控制单元测量重心；
若所述第一脚踏板的重心靠右，且所述第二脚踏板的重心靠右，则控制自平衡车右转；以及
若所述第一脚踏板的重心靠左，且所述第二脚踏板的重心靠左，则控制自平衡车左转。
3.如权利要求2所述的自平衡车的方向控制方法，其特征在于，
所述第一脚踏板是左脚踏板，所述第二脚踏板是右脚踏板，
其中，所述自平衡车的方向控制方法更包括：
若所述左脚踏板的重心靠前，且右脚踏板的重心靠后，则控制自平衡车原地右转；以及
若所述左脚踏板的重心靠后，且所述右脚踏板的重心靠前，则控制自平衡车原地左转。
4.如权利要求1所述的自平衡车的方向控制方法，其特征在于，
所述自平衡车包括一第一脚踏板以及一第二脚踏板；
其中，所述第一脚踏板包括一第一方向控制单元、一第二方向控制单元、一第三方向控制单元以及一第四方向控制单元，
其中，所述第一方向控制单元、所述第二方向控制单元、所述第三方向控制单元以及所述第四方向控制单元分别具有一第一坐标(X1，Y1)、一第二坐标(X2，Y2)、一第三坐标(X3，Y3)以及一第四坐标(X4，Y4)；
其中，所述第二脚踏板包括一第五方向控制单元、一第六方向控制单元、一第七方向控制单元以及一第八方向控制单元，
其中，所述第五方向控制单元、所述第六方向控制单元、所述第七方向控制单元以及所述第八方向控制单元分别具有一第五坐标(X5，Y5)、一第六坐标(X6，Y6)、一第七坐标(X7，Y7)以及一第八坐标(X8，Y8)；
其中，所述自平衡车的方向控制方法更包括：
测量所述第一脚踏板的重心，包括：
分别获得所述第一方向控制单元、所述第二方向控制单元、所述第三方向控制单元以及所述第四方向控制单元的电容值变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4；
根据上述电容值变化量，计算重心坐标，如下：
XW1＝(ΔC1×X1+ΔC2×X2+ΔC3×X3+ΔC4×X4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；
YW1＝(ΔC1×Y1+ΔC2×Y2+ΔC3×Y3+ΔC4×Y4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；
其中，(XW1，YW1)为所述第一脚踏板上的重心坐标；
测量所述第二脚踏板的重心，包括：
分别获得所述第五方向控制单元、所述第六方向控制单元、所述第七方向控制单元以及所述第八方向控制单元的电容值变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8；
根据上述电容值变化量，计算重心坐标，如下：
XW2＝(ΔC5×X5+ΔC6×X6+ΔC7×X7+ΔC8×X8)/(C5+C6+C7+C8)；
YW2＝(ΔC5×Y5+ΔC6×Y6+ΔC7×Y7+ΔC8×Y8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)；
其中，(XW2，YW2)为所述第二脚踏板上的重心坐标。
5.一种自平衡车，其特征在于，包括：
一移动元件，用以让所述自平衡车移动位置；
一第一脚踏板，包括多个第一方向控制单元；
一第二脚踏板，包括多个第二方向控制单元；
一控制电路，耦接所述移动元件、所述第一方向控制单元以及所述第二方向控制单元，
其中，每一所述第一方向控制单元以及每一所述第二方向控制单元分别包括：
一第一导体板；
一第二导体板；以及
一软性材料，配置于所述第一导体板与所述第二导体板之间；
其中，所述控制电路分别测量所述第一方向控制单元的所述第一导体板与所述第二导体板之间的电容值以及测量所述第二方向控制单元的所述第一导体板与所述第二导体板之间的电容值；
其中，所述控制电路根据每一所述方向控制单元的电容值变化量以及每一所述方向控制单元的位置，判断乘载物件的重心倾斜方向，以判定所述自平衡车的移动方向。
6.如权利要求5所述的自平衡车，其特征在于，所述控制电路分别利用所述第一脚踏板的所述第一方向控制单元与所述第二脚踏板上的所述第二方向控制单元测量重心；
若所述第一脚踏板的重心靠右，且所述第二脚踏板的重心靠右，则所述控制电路控制自平衡车右转；
若所述第一脚踏板的重心靠左，且所述第二脚踏板的重心靠左，则所述控制电路控制自平衡车左转。
7.如权利要求6所述的自平衡车，其特征在于，
所述第一脚踏板是左脚踏板，所述第二脚踏板是右脚踏板，
若所述左脚踏板的重心靠前，且右脚踏板的重心靠后，则所述控制电路控制自平衡车原地右转；
若所述左脚踏板的重心靠后，且所述右脚踏板的重心靠前，则所述控制电路控制自平衡车原地左转。
8.如权利要求5所述的自平衡车，其特征在于，所述第一脚踏板包括一第一方向控制单元、一第二方向控制单元、一第三方向控制单元以及一第四方向控制单元，
其中，所述第一方向控制单元、所述第二方向控制单元、所述第三方向控制单元以及所述第四方向控制单元分别具有一第一坐标(X1，Y1)、一第二坐标(X2，Y2)、一第三坐标(X3，Y3)以及一第四坐标(X4，Y4)；
其中，所述第二脚踏板包括一第五方向控制单元、一第六方向控制单元、一第七方向控制单元以及一第八方向控制单元，
其中，所述第五方向控制单元、所述第六方向控制单元、所述第七方向控制单元以及所述第八方向控制单元分别具有一第五坐标(X5，Y5)、一第六坐标(X6，Y6)、一第七坐标(X7，Y7)以及一第八坐标(X8，Y8)；
所述控制电路分别获得所述第一方向控制单元、所述第二方向控制单元、所述第三方向控制单元以及所述第四方向控制单元的电容值变化量ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4；
所述控制电路根据上述电容值变化量，计算重心坐标，如下：
XW1＝(ΔC1×X1+ΔC2×X2+ΔC3×X3+ΔC4×X4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；
YW1＝(ΔC1×Y1+ΔC2×Y2+ΔC3×Y3+ΔC4×Y4)/(ΔC1+ΔC2+ΔC3+ΔC4)；
其中，(XW1，YW1)为所述第一脚踏板上的重心坐标；
所述控制电路分别获得所述第五方向控制单元、所述第六方向控制单元、所述第七方向控制单元以及所述第八方向控制单元的电容值变化量ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8；
所述控制电路根据上述电容值变化量，计算重心坐标，如下：
XW2＝(ΔC5×X5+ΔC6×X6+ΔC7×X7+ΔC8×X8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)；
YW2＝(ΔC5×Y5+ΔC6×Y6+ΔC7×Y7+ΔC8×Y8)/(ΔC5+ΔC6+ΔC7+ΔC8)；
其中，(XW2，YW2)为所述第二脚踏板上的重心坐标。
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