CN108016546B - 两轮电动平衡车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两轮电动平衡车及其控制方法。其通过姿态传感器直接感应获得姿态感应件的运动姿态信息，通过感应装置直接感应获得第一分体、第二分体、姿态反应件三者中任意两个之间的相对运动姿态信息，控制器根据姿态传感器及感应装置获得的运动姿态信息对车体的平衡及转向进行控制，从而简化了平衡车的硬件电路，降低了生产成本，提高了系统的可靠性。而且，控制器对车体平衡与转向的控制信号可以由姿态传感器及感应装置直接获取，只需要做一组姿态解算，简化了控制方法，既保留了分体式平衡车操控的灵活性，又具有一体式平衡车转向与平衡分立控制的可靠性，同时也降低了控制器的运算量和对IO口的需求，使得可以选择更少或更低成本的控制器。

Description

两轮电动平衡车及其控制方法

技术领域

本发明涉及自平衡代步交通工具，特别是涉及一种两轮电动平衡车及其控制方法。

背景技术

目前，市面上出现的两轮电动平衡车(俗称扭扭车)一般具有两个车体，而在两个车体上各安装一个姿态传感器及一个控制器，姿态传感器与控制器相配合来获取所在分体的运动姿态，另外还需要一个控制器对获得的两个分体的运动姿态进行整合计算，并对车轮的前进、后退或转向进行控制。因而，这种两轮电动平衡车的车体运动姿态的控制就需要使用两个姿态传感器及三个控制器来实现，如此不仅会导致电路结构复杂，使得平衡车的控制过程较为复杂，成本较高，而且，两个姿态传感器中的任何一个出现故障都会导致平衡车失控，使得骑行的风险增大。

发明内容

基于此，有必要提供一种电路结构简单，且安全性较高的两轮电动平衡车。同时，也提供了一种两轮电动平衡车的控制方法。

一种两轮电动平衡车，包括：

车体，包括第一分体及第二分体，所述第一分体与所述第二分体能够共轴转动；

姿态反应件，与所述第一分体及所述第二分体分别活动连接，所述姿态反应件能够随所述第一分体与所述第二分体的相对转动而运动；

姿态传感器，安装于所述姿态反应件上，所述姿态传感器能够感应所述姿态反应件的运动姿态；

感应装置，用于感应所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态；及

控制器，安装于所述第一分体或第二分体上，所述控制器与所述姿态传感器及所述感应装置分别连接，且能够根据所述姿态传感器及所述感应装置的感应信息对所述车体的平衡及转向进行控制。

在其中一个实施例中，所述第一分体包括第一踏板，所述第二分体包括第二踏板，所述第一踏板与所述第二踏板均呈平板状结构，且所述第一踏板与所述第二踏板能够相对旋转至共面状态，所述姿态反应件与所述第一踏板之间的夹角等于所述姿态反应件与第二踏板之间的夹角。

在其中一个实施例中，所述第一分体还包括第一安装块及第一连接轴件，所述第一安装块固定安装于所述第一踏板上，所述第一连接轴件穿设所述姿态反应件及所述第一安装块，以将所述姿态反应件与所述第一安装块转动连接，所述第二分体还包括第二安装块、第二连接轴件及转轴，所述第二安装块固定安装于所述第二踏板上，所述转轴安装于所述第二安装块上，且穿设于所述第一安装块，以将所述第一安装块与所述第二安装块转动连接，所述第二连接轴件安装于所述转轴上，且穿设所述姿态反应件，所述第一连接轴件及所述第二连接轴件均与所述转轴平行设置。

在其中一个实施例中，所述姿态反应件上开设有长孔，所述长孔沿靠近或远离所述第一连接轴件的方向延伸呈条形，所述第二连接轴件能够穿设于所述长孔。

在其中一个实施例中，所述第一连接轴件的轴线与所述转轴的轴线之间的距离等于所述第二连接轴件的轴线与所述转轴的轴线之间的距离。

在其中一个实施例中，所述姿态反应件设于所述第一踏板与所述第二踏板之间，所述第一踏板及所述第二踏板分别与所述姿态反应件转动连接，且所述第一踏板、所述第二踏板及所述姿态反应件均绕同一旋转轴旋转。

在其中一个实施例中，所述第一分体还包括安装于所述第一踏板与所述姿态反应件连接处的第一复位件，所述第二分体还包括安装于所述第二踏板与所述姿态反应件连接处的第二复位件，所述第一复位件及所述第二复位件相配合，以使所述第一踏板与所述第二踏板复位至共面状态。

在其中一个实施例中，所述感应装置为霍尔传感器、电位器、光电编码器、磁编码器、光电传感器、超声波距离传感器中的一种。

在其中一个实施例中，所述车体还包括车轮及电源，所述车轮为两个，两个所述车轮分别安装于所述第一分体及所述第二分体上，两个所述车轮相配合以支撑所述第一分体及所述第二分体，所述电源与所述控制器电连接。

一种两轮电动平衡车的控制方法，包括以下步骤：

提供上述的两轮电动平衡车；

通过所述姿态传感器感应所述姿态反应件的运动姿态；

通过所述感应装置感应所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态；

所述控制器根据所述姿态反应件的运动姿态对所述车体的平衡进行控制；

所述控制器根据所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态对所述车体的转向进行控制。

上述两轮电动平衡车中，仅需要通过一个姿态传感器直接感应获得姿态感应件的运动姿态信息，通过一个感应装置直接感应获得第一分体、第二分体、姿态反应件三者中任意两个之间的相对运动姿态信息，控制器根据姿态传感器及感应装置获得的运动姿态信息对车体的平衡及转向进行控制，从而简化了两轮电动平衡车的硬件电路，降低了生产成本，提高了系统的可靠性。

而且，控制器对车体平衡与转向的控制信号可以由姿态传感器及感应装置直接获取，只需要做一组姿态解算，而无需对第一分体与第二分体的运动状态进行耦合，简化了控制方法，既保留了分体式平衡车操控的灵活性，又具有一体式平衡车转向与平衡分立控制的可靠性，同时也降低了控制器的运算量和对IO口的需求，使得可以选择更少或更低成本的控制器。

附图说明

图1为本发明一实施例的两轮电动平衡车的一视角的结构示意图；

图2为图1中所示两轮电动平衡车的另一视角的结构示意图；

图3为图2中所示两轮电动平衡车的结构爆炸示意图；

图4为图2中所示两轮电动平衡车的平衡及转向的控制原理示意图；

图5为本发明另一实施例的两轮电动萍儿哈给你车的结构爆炸示意图；及

图6为本发明一实施例的两轮电动平衡车的控制方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

结合图1及图5所示，本发明的两轮电动平衡车10包括车体100、姿态反应件200、姿态传感器300、感应装置400及控制器500。其中，姿态反应件200、姿态传感器300、感应装置400及控制器500均安装于车体100上。

具体地，车体100包括第一分体110及第二分体120，第一分体110与第二分体120能够共轴转动。姿态反应件200与第一分体110及第二分体120分别活动连接，且能够随第一分体110与第二分体120的相对转动而运动。姿态传感器300安装于姿态反应件200上，以能够感应姿态反应件200的运动姿态。感应装置400能够感应第一分体110与第二分体120之间的相对运动姿态，或者感应第一分体110与姿态反应件200之间的运动姿态，或者感应第二分体120与姿态反应件200之间的运动姿态。控制器500与姿态传感器300及感应装置400分别连接，且能够根据姿态传感器300及感应装置400的感应信息对车体100的前进、后退及转向进行控制。

具体地，第一分体110包括第一踏板111，第二分体120包括第二踏板121，第一踏板111与第二踏板121均呈平板状结构，且第一踏板111与第二踏板121能够相对旋转至共面状态。姿态反应件200与第一踏板111之间的夹角等于姿态反应件200与第二踏板121之间的夹角，也等于第一踏板111与第二踏板121之间相对夹角的一半。

需要指出的是，姿态反应件200的运动姿态即为姿态反应件200相对水平面的倾角。第一分体110与第二分体120的相对运动姿态即为第一分体110与第二分体120间的相对角度，也就是第一踏板111与第二踏板121之间的相对夹角。第一分体110与姿态反应件200之间的运动姿态即为第一踏板111与姿态反应件200之间的夹角。第二分体120与姿态反应件200之间的运动姿态即为第二踏板121与姿态反应件200之间的夹角。

另外，车体100还包括车轮130。车轮130为两个，两个车轮130分别安装于第一分体110及第二分体120上，两个车轮130相配合以支撑第一分体110及第二分体120。

具体地，两个车轮130分别安装于第一踏板111及第二踏板121上，且两个车轮130相对设置。车轮130包括轮体131及驱动电机(未示出)。驱动电机安装于轮体131内部，且与控制器500电连接，在控制器500的控制下，驱动电机能够带动轮体131前进、后退或转向。控制器500可以安装于第一分体110、第二分体120及车轮130中的任何一个上。

此外，两轮电动平衡车10还包括电源600。电源600与控制器500电连接，以为两轮电动平衡车10的运行提供电能。

结合图1、图2及图3所示，在其中一个实施例中，两轮电动平衡车10的第一分体110还包括第一安装块112及第一连接轴件113。第二分体120还包括第二安装块122第二连接轴件114及转轴123。

其中，第一安装块112固定安装于第一踏板111上。第一连接轴件113穿设姿态反应件200及第一安装块112，以将姿态反应件200与第一安装块112转动连接。第二安装块122固定安装于第二踏板121上。转轴123固定安装于第二安装块122上，且穿设于第一安装块112，并能够相对第一安装块112旋转，从而使得第一安装块112与第二安装块122转动连接，进而使得第一踏板111与第二踏板121能够以转轴123的轴线为旋转轴共轴旋转。第二连接轴件124固定安装于转轴123上，且穿设姿态反应件200，并能够相对姿态反应件200旋转。第一连接轴件113与第二连接轴件124均与转轴123平行设置，从而在第一踏板111与第二踏板121以转轴123的轴线为旋转轴共轴旋转时，在第一连接轴件113与第二连接轴件124的带动作用下，姿态反应件200相对第一踏板111及第二踏板121均发生旋转。

具体地，姿态反应件200上开设有长孔210，长孔210沿靠近或远离第一连接轴件113的方向延伸呈条形，第二连接轴件124能够穿设于长孔210。当第一分体110与第二分体120相对转动时，第二连接轴件124能够沿长孔210的延伸方向滑动，以靠近或远离第一连接轴件113。

在本实施例中，第一连接轴件113的轴线与转轴123的轴线之间的距离等于第二连接轴件124的轴线与转轴123的轴线之间的距离，从而使得第一连接轴件113及第二连接轴件124均位于以转轴123的轴线为圆心的同一圆周上，即第二连接轴件124在以第二连接轴件124为圆心，以第一连接轴件113与转轴123之间的距离为半径的圆周上运动。在其他实施例中，第二连接轴件124的运动轨迹还可以为椭圆或双曲线等其他具有固定形状的光滑曲线。

结合图2、图3及图4所示，A代表第一连接轴件113，B代表第二连接轴件124，AB的连线即为姿态反应件200，A、B均位于以转轴123的轴线为圆心的同一圆周上，且能够沿所在的圆周运动，直线L代表水平面，则∠a即为第一分体110与水平面的夹角，∠b为第二分体120与水平面的夹角。

由平面几何关系可以得知，∠c＝(∠b-∠a)/2，∠d1＝∠d2＝(∠a+∠b)/2，因此，∠c可以反映姿态反应件200与水平面的夹角，∠d1可以反映第一分体110与姿态反应件200间的夹角，∠d2可以反映第二分体120与姿态反应件200间的夹角，第一分体110与第二分体120之间的相对夹角等于第一分体110与姿态反应件200之间夹角的两倍，也等于第二分体120与姿态反应件200之间夹角的两倍。

从而控制器500可以根据姿态传感器300检测到的∠c的数值情况来控制车体100的前进或后退，也即车体100的平衡，控制器500还可以根据信号感应器420感应得到的∠d1或∠d2或2∠d1的数值情况来控制车体100的转向。

具体在本实施例中，姿态反应件200包括第一侧壁(图未标)。第一侧壁与长孔210的延伸方向相平行，姿态传感器300安装于第一侧壁上。因此，姿态传感器300感应到的水平情况即为第一侧壁相对水平面的倾斜情况，也即姿态反应件200与水平面的夹角情况。

具体地，第二分体120还包括安装套环125。转轴123上沿其轴向开设有安装槽(图未标)，安装套环125安装于安装槽内，安装套环125的边缘沿转轴123的径向凸出形成凸块(图未标)，第二连接轴件124安装于凸块上。通过设置安装套环125，以使得第二连接轴件124能够安装于转轴123上偏离轴线的位置，以便于在第一分体110与第二分体120发生相对转动时，第二连接轴件124能够带动姿态反应件200运动。

具体在本实施例中，第一分体110还包括第三安装块114，第三安装块114固定安装于第一踏板111上。感应装置400具体为霍尔传感器，其包括磁铁410及与磁铁410相对的感应端420。感应端420安装于第三安装块114上，磁铁410安装于姿态反应件200上。感应端420可以感应通过其感应面的磁感应强度，进而输出与磁感应强度正相关的电压信号。当磁铁410随姿态反应件200相对感应端420运动时，通过感应端420的磁感应强度发生变化，从而使感应端420输出电压发生变化，控制器500根据感应端420输出电压信号以计算得到第一分体110与姿态反应件200间的夹角。

需要指出的是，在其他实施例中，磁铁410还可以安装于第二分体120上，例如安装于第二连接轴件124上，此时，只需移动感应端420的位置，使感应端420与磁铁410相对，即可检测得到第一分体110与第二分体120间的相对角度。另外，还可以将感应端420安装于第二分体120上，此时，检测得到的即为第二分体120与姿态反应件200之间的夹角。

另外，在其他实施例中，感应装置400还可以是电位器、光电编码器、磁编码器、光电传感器、超声波距离传感器等其他类型的能够用于感应相对角度的感应装置。

如图5所示，在另一个实施例中，两轮电动平衡车10的姿态反应件200设于第一踏板111与第二踏板121之间，第一踏板111及第二踏板121分别与姿态反应件200转动连接，且第一踏板111、第二踏板121及姿态反应件200均绕同一旋转轴旋转。

具体地，第一踏板111上安装有第三连接轴件117，第二踏板121上安装有第四连接轴件127，第一踏板111与姿态反应件200通过第三连接轴件117转动连接，第二踏板121通过第四连接轴件127转动连接。

第一分体110还包括安装于第一踏板111与姿态反应件200连接处的第一复位件(未示出)，第二分体120还包括安装于第二踏板121与姿态反应件200连接处的第二复位件(未示出)，第一复位件及第二复位件相配合，以使第一踏板111与第二踏板121复位至共面状态，同时也使得第一踏板111与姿态反应件200之间的夹角时刻等于第二踏板121与姿态反应件200之间的夹角。

在本实施例中，第一复位件及第二复位件均为扭簧。在其他实施例中，第一复位件及第二复位件还可以为其他形式的能够使第一踏板111及第二踏板121恢复至共面状态的机械结构。

另外，在本实施例中，姿态传感器设置于姿态反应件200的内部。

结合图3及图5所示，另外，本发明还提供了一种两轮电动平衡车10的控制方法，其包括以下步骤。

步骤100，提供上述两轮电动平衡车。

步骤200，通过姿态传感器感应姿态反应件的运动姿态。

通过安装于姿态反应件200上的姿态传感器300以感应得到姿态反应件200相对水平面的倾斜角度信息，即图4中与∠c相关的信息。

步骤300，通过感应装置感应第一分体、第二分体、姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态。

由于第一分体110与姿态反应件200之间的运动姿态即为第一踏板111与姿态反应件200之间的夹角，第二分体120与姿态反应件200之间的运动姿态即为第二踏板121与姿态反应件200之间的夹角，第一分体110与第二分体120的相对运动姿态即为第一踏板111与第二踏板121之间的相对夹角，而且，第一踏板111与姿态反应件200之间的夹角等于第二踏板121与姿态反应件200之间的夹角，也等于第一踏板111与第二踏板121之间的相对夹角的一半。因此，感应装置400感应得到第一踏板111与姿态反应件200之间的夹角、第二踏板121与姿态反应件200之间的夹角、第一踏板111与第二踏板121之间的相对夹角中任意一个夹角的情况，即可得到其他两个夹角的情况，即图4中与∠d1或∠d2相关的信息。

步骤400，控制器根据姿态反应件的运动姿态对车体的平衡进行控制。

控制器500根据∠c的情况，对车体100的平衡进行控制。即，当∠c大于0°时，代表车体100前倾，则控制器500控制车体100前进，以使∠c减小来保持平衡；当∠c小于0°时，代表车体100后倾，则控制器500控制车体100后退，以使∠c增大来保持平衡。总之，尽可能将∠c维持在0°附近，以使车体100处于平衡状态。

步骤500，控制器根据第一分体、第二分体、姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态对车体的转向进行控制。

控制器500根据∠d1或∠d1的情况，对车体100的转向进行控制。以∠d1为例，当∠d1大于0°时，代表第一分体110与姿态反应件200的相对角度为正，则控制器500控制车体100左转；当∠d1小于0°时，代表第一分体110与姿态反应件200的相对角度为负，则控制器500控制车体100右转；而当∠d1的数值偏离0°越大时，即第一分体110与姿态反应件200之间的相对角度越大时，车体100转向的速度越快。

需要指出的是，在本实施例中，控制器500对车体100平衡及转向的控制即为控制器500对车轮130的控制。

上述两轮电动平衡车10中，仅需要通过一个姿态传感器300直接感应获得姿态感应件的运动姿态信息，通过一个感应装置400直接感应获得第一分体110、第二分体120、姿态反应件200三者中任意两个之间的相对运动姿态信息，控制器500根据姿态传感器300及感应装置400获得的运动姿态信息对车体100的平衡及转向进行控制，从而简化了两轮电动平衡车10的硬件电路，降低了生产成本，提高了系统的可靠性。

而且，控制器500对车体100平衡与转向的控制信号可以由姿态传感器300及感应装置400直接获取，只需要做一组姿态解算，而无需对第一分体110与第二分体120的运动状态进行耦合，简化了控制方法，既保留了分体式平衡车操控的灵活性，又具有一体式平衡车转向与平衡分立控制的可靠性，同时也降低了控制器500的运算量和对IO口的需求，使得可以选择更少或更低成本的控制器500。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种两轮电动平衡车，其特征在于，包括：

车体，包括第一分体及第二分体，所述第一分体与所述第二分体能够共轴转动；

姿态反应件，与所述第一分体及所述第二分体分别活动连接，所述姿态反应件能够随所述第一分体与所述第二分体的相对转动而运动；

姿态传感器，安装于所述姿态反应件上，所述姿态传感器能够感应所述姿态反应件的运动姿态；

感应装置，用于感应所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态；及

控制器，安装于所述第一分体或第二分体上，所述控制器与所述姿态传感器及所述感应装置分别连接，且能够根据所述姿态传感器及所述感应装置的感应信息对所述车体的平衡及转向进行控制；

所述第一分体包括第一踏板，所述第二分体包括第二踏板，所述第一踏板与所述姿态反应件的夹角等于所述第二踏板与所述姿态反应件的夹角、也等于所述第一踏板与所述第二踏板之间相对夹角的一半。

2.根据权利要求1所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述第一踏板与所述第二踏板均呈平板状结构，且所述第一踏板与所述第二踏板能够相对旋转至共面状态。

3.根据权利要求2所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述第一分体还包括第一安装块及第一连接轴件，所述第一安装块固定安装于所述第一踏板上，所述第一连接轴件穿设所述姿态反应件及所述第一安装块，以将所述姿态反应件与所述第一安装块转动连接，所述第二分体还包括第二安装块、第二连接轴件及转轴，所述第二安装块固定安装于所述第二踏板上，所述转轴安装于所述第二安装块上，且穿设于所述第一安装块，以将所述第一安装块与所述第二安装块转动连接，所述第二连接轴件安装于所述转轴上，且穿设所述姿态反应件，所述第一连接轴件及所述第二连接轴件均与所述转轴平行设置。

4.根据权利要求3所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述姿态反应件上开设有长孔，所述长孔沿靠近或远离所述第一连接轴件的方向延伸呈条形，所述第二连接轴件能够穿设于所述长孔。

5.根据权利要求4所述的两轮电动平衡车，其特征在于，且所述第一连接轴件的轴线与所述转轴的轴线之间的距离等于所述第二连接轴件的轴线与所述转轴的轴线之间的距离。

6.根据权利要求2所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述姿态反应件设于所述第一踏板与所述第二踏板之间，所述第一踏板及所述第二踏板分别与所述姿态反应件转动连接，且所述第一踏板、所述第二踏板及所述姿态反应件均绕同一旋转轴旋转。

7.根据权利要求6所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述第一分体还包括安装于所述第一踏板与所述姿态反应件连接处的第一复位件，所述第二分体还包括安装于所述第二踏板与所述姿态反应件连接处的第二复位件，所述第一复位件及所述第二复位件相配合，以使所述第一踏板与所述第二踏板复位至共面状态。

8.根据权利要求1所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述感应装置为霍尔传感器、电位器、光电编码器、磁编码器、光电传感器、超声波距离传感器中的一种。

9.根据权利要求1所述的两轮电动平衡车，其特征在于，所述车体还包括车轮及电源，所述车轮为两个，两个所述车轮分别安装于所述第一分体及所述第二分体上，两个所述车轮相配合以支撑所述第一分体及所述第二分体，所述电源与所述控制器电连接。

10.一种两轮电动平衡车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供权利要求1至9中任意一项权利要求所述的两轮电动平衡车；

通过所述姿态传感器感应所述姿态反应件的运动姿态；

通过所述感应装置感应所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态；

所述控制器根据所述姿态反应件的运动姿态对所述车体的平衡进行控制；

所述控制器根据所述第一分体、所述第二分体、所述姿态反应件三个中任意两个之间的相对运动姿态对所述车体的转向进行控制。

Images