CN108516038A - 平衡车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平衡车及其控制方法，平衡车包括：车架、车轮、安装于车架中部位置的用于感测车架左右两端相对中部位置扭转程度的传感器、以及，用于根据所述传感器采集的数据信息以控制平衡车转向或直行的控制模块；所述车轮安装于车架的左右两侧，所述控制模块安装于车架的下侧。本发明平衡车转向便利，运行稳定安全，操控方便。

Description

平衡车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种平衡车及其控制方法。

背景技术

当前平衡车主要有两种类型，第一款：双轮通过联轴器连接，两个轮子的中心在同一轴上，且两个轮子轴可以相对转动，正因两个轮子轴可以相对转动，所以在两轴上各装一个陀螺仪，用来感应各自的姿态，通个运算达到控制电机前进，后退，左转，右转的目的，这类车称只为“扭扭车”或者“漂移车”。第二款：双轮同轴且固定在一个金属架上，中间没有连轴器，两个轮子的轴固定，不能发生相对转动，为了达到控制平衡，装一个陀螺仪在金属架上，通过运算控制可以使其平衡，为了控制其转向，再在金属架上装一款转向把手，通过左右摇动把手使其转向。以上两款虽说都能实现平衡控制功能，但都存在不足。

第一款：

问题1，因为两个轴可以相对转动，所以两边脚踏板很难保持相同的姿势，所以在快速行驶时方向容易偏转，不易控制直线行驶。

问题2，因两边轴各自都需要放陀螺仪，但相隔距离比较远，靠数字传输信号，在高频传输下，电机FOC（Field Oriented Control磁场定向控制）控制会更好，但是因干扰大，误码率高，在低频传送，误码率低，但电机运转的柔顺性差。

问题3，因为不管怎么整合都需要两块带MCU（Micro controller Unit微控制单元）控制板，所以成本高。

第二款：

问题1，因为两个轴固定，为了转向，必须加载转向装置，这个转向杆一般都比较长，所以不利于便携。

问题2，目前带转向的车为了方便运输都需要客户收到货后自己装上螺丝固定转向，增加麻烦，其次，转向杆使用中会出现磨损松动，出现转向误差。

其他的基于压力传感器进行转向的平衡车，大多将压力传感器设置于脚踏板的位置，根据人的重心变化来实现转向、直行，不易操控，易发生安全事故。

发明内容

本发明涉及平衡车及其控制方法，采用应变片测量平衡车中部因扭力而产生变形的方案，能够有效地控制平衡车的转向，提高操控性能，由于根本方案的不同，巧妙地避开和解决了背景技术中的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种平衡车，包括：车架、车轮、安装于车架中部位置的用于感测车架左右两端相对中部位置扭转程度的传感器、以及，用于根据所述传感器采集的数据信息以控制平衡车转向或直行的控制模块；所述车轮安装于车架的左右两侧，所述控制模块安装于车架的下侧。

通过采用上述技术方案，平衡车的转向可由车架中部的微弱扭转变形产生控制，即平衡车需转向时，由操作者的脚部进行扭转操作，平衡车车架的中部传感器感测到扭转的变形程度和方向，完成平衡的转向或直行等控制，操作简单，使用方便。具体地，如平衡车需向右转，操作者的双脚作用于车架上，对车架左右两边作一个向右转的动作，即左脚尖用力的程度大于左脚跟用力的程度，右脚跟用力的程度大于右脚尖用力的程度，车架左侧具备向后作逆时针转的趋势，车架右侧具备向前作顺时针转的趋势，对车架中部产生扭矩作用，车架中部位置的传感器感测此时由于扭矩作用，传感器本身的形变程度和形变方向信息，即车架中部位置相对车架左右两端的扭转程度，从而将该数据信息反馈给控制模块，控制模块根据此信息控制轮毂电机的转向及转速等，具体地，控制左车轮轮毂电机的输出扭矩小于右车轮轮毂电机的输出扭矩，即控制左车轮转速大于右车轮转速，完成平衡车的右转；同理，平衡车左转，传感器感测到车架中部方向相反的扭矩，以进一步实现右转。

作为本发明的进一步改进，所述传感器为应变片传感器。通过采用上述技术方案，应变片传感器中应变片产生的形变可以反应平衡车车架中部的微弱的扭转变形程度，采集信息灵敏可靠。

作为本发明的进一步改进，传感器包括设置于车架中部位置的前侧的第一传感器、以及后侧的第四传感器。通过采用上述技术方案，第一传感器及第四传感器可采用应变片传感器，以感测车架中部的扭转程度，具体的，第一传感器与第四传感器感测到的扭矩（扭力）大小相等，方向相反，控制模块根据此扭矩（扭力）的大小和方向实现平衡车的转向等。

作为本发明的进一步改进，传感器包括设置于车架中部位置上侧的第二传感器、以及下侧的第三传感器。通过采用上述技术方案，第二传感器及第三传感器可采用应变片传感器，可感测车架中部的扭转程度，具体的，第二传感器与第三传感器感测到的扭矩（扭力）大小相等，方向相反，控制模块根据此扭矩（扭力）的大小和方向实现平衡车的转向等。

作为本发明的进一步改进，车架采用整体式结构的金属板或硬质塑料板。通过采用上述技术方案，车架采用整体式结构，车架中部的形变可以准确反应出车架受到的是何种方向的扭力作用，即可以反应出操作者的转向意图；且整体式结构牢固可靠，经久耐用。

作为本发明的进一步改进，还包括一用于感测平衡车车架姿态的姿态传感器。通过采用上述技术方案，姿态传感器的设置有利于感测平衡车的姿态，进而对平衡车进行车态控制。

一种平衡车控制方法，采用上述任一项所述的平衡车，车架发生扭变，

平衡车向右转向的条件为，第一传感器测得的扭力为增加，第四传感器测得的扭力减小，控制模块根据采集到的第一传感器扭力增加，第四传感器扭力减小的数据信息，控制平衡车右转；或者，

第二传感器测得的扭力为增加，第三传感器测得的扭力减小，控制模块根据采集到的第二传感器扭力增加，第三传感器扭力减小的数据信息，控制平衡车右转。通过采用上述技术方案，第二传感器和第三传感器同样可感测车体的扭力大小，同时也可感测操作者的体重，根据操作者的体重大小，给予平衡车相适应的驱动信息反馈，以使平衡车移动更平稳。

作为本发明的进一步改进，平衡车向左转向的条件为，

第一传感器测得的扭力减小，第四传感器测得的扭力增加，控制模块根据采集到的第一传感器扭力减小，第四传感器扭力增加的数据信息，控制平衡车左转。通过采用上述技术方案，第一传感器及第四传感器可采用应变片传感器，以感测车架中部的扭转程度，具体的，第一传感器与第四传感器感测到的扭矩（扭力）大小相等，方向相反，控制模块根据此扭矩（扭力）的大小和方向实现平衡车的转向等。

作为本发明的进一步改进，平衡车向左转向的条件为，

第二传感器测得的扭力减小，第三传感器测得的扭力增加，控制模块根据采集到的第二传感器扭力减小，第三传感器扭力增加的数据信息，控制平衡车左转。通过采用上述技术方案，第二传感器和第三传感器同样可感测车体的扭力大小，同时也可感测操作者的体重，根据操作者的体重大小，给予平衡车相适应的驱动信息反馈，以使平衡车移动更平稳。

作为本发明的进一步改进，根据姿态传感器测得的平衡车车架姿态数据以控制平衡车前进或后退，即姿态传感器测得平衡车车架前倾，则平衡车前进，姿态传感器测得平衡车车架后倾，则平衡车减速或后退。通过采用上述技术方案，姿态传感器中具有陀螺仪及加速度计，姿态传感器感测到平衡车的车体姿态，如车体前倾，则姿态传感器将车体前倾的信息反馈给控制模块，控制模块根据该信息控制车轮的轮毂电机加速，平衡车向前行进，反之，车体若后倾，则控制模块根据姿态传感器感测的信息控制平衡车减速或后退。

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为本发明一个实施例提供的平衡车的俯视图。

图2为本发明一个实施例提供的平衡车的A-A剖面图。

图3为本发明一个实施例提供的平衡车的车架的扭矩图。

图4为本发明一个实施例提供的平衡车的车架结构示意图。

图中：车架1、控制模块3、电池模块4、车轮5、第一传感器21、第二传感器22、第三传感器23、第四传感器24。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下扣合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

平衡车，请参阅图1至图4，包括车架1、传感器、控制模块3和车轮5，车架1为整体式，两个车轮5分别安装于车架1的左右两侧，车轮的轮轴通过安装座安装于车架1上，控制模块与各传感器连接，控制模块、车轮的轮毂电机、传感器等均由电池模块4供电。

传感器设置于车架的中部位置截面面积最小处，为应变片传感器，车架的左右两端相对于中部位置成对称设置，且车架的左右两端较中部位置大，即车架的中部位置相对左右两端呈渐缩状，传感器包括有设置于车架中部位置的前侧的第一传感器21、上侧的第二传感器22、下侧的第三传感器23以及后侧的第四传感器24。传感器用以感测车架中部位置受扭转情况，并根据各传感器感测的受力信息，完成平衡车的转向/直行等运动控制。

按图4箭头方向看过去，当以铝板中轴线为基准发生顺时针扭变时，即车架左侧具备向后作逆时针转的趋势，车架右侧具备向前作顺时针转的趋势，对车架中部产生扭矩作用，车架的扭矩图如图3所示， A1值减小（负向），A2值增加（正向），B1+B2值与实际站上去的人重量成正比，当以车架中轴线为基准发生逆时针扭变时，A1值增加（正向），A2值减小（负向），控制函数如下：

y_left=f_PID1(angle)+f_PID2( (A1-A2)/(B1+B2) )；

y_right=f_PID1(angle)-f_PID2( (A1-A2)/(B1+B2) )；

其中，A1值为第一传感器21测得的扭矩，A2值为第四传感器24测得的扭矩，B1为第二传感器22测得的扭矩，B3为第三传感器23测得的扭矩，angle即车架的角度状态由姿态传感器测得。

f_PID1可根据倾角控制前进后退，f_PID2控制轮子动力大小偏差，使其产生速度差，便可转向。

车架为一整体式结构的平板。车架的结构有利于整车的稳定，且便携易操控。

控制模块包括主控板、姿态感应板、应变片传感器数据板；姿态感应板用于接收姿态传感器感测到的车体姿态数据信息，并将该数据信息反馈给主控板，应变片传感器数据板用于接收应变片传感器感测到的操作者对应变片传感器的具体作用力信息，并将该信息反馈给主控板，主控板根据各数据信息对车体的轮毂电机的转速及转向进行控制，以实现对平衡车车体的控制。姿态传感器中含有一个三轴陀螺仪用以感测平衡车车体的倾角信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种平衡车，其特征在于，包括：车架（1）、车轮（5）、安装于车架（1）中部位置的用于感测中部变形程度的传感器、以及，用于根据所述传感器采集的数据信息以控制平衡车转向或直行的控制模块；所述车轮（5）安装于车架（1）的左右两侧。

2.如权利要求1所述的平衡车，其特征在于，所述传感器为应变片传感器。

3.如权利要求1所述的平衡车，其特征在于，传感器包括设置于车架中部位置前侧的第一传感器（21）、以及后侧的第四传感器（24）。

4.如权利要求1或2或3所述的平衡车，其特征在于，传感器包括设置于车架中部位置上侧的第二传感器（22）、以及下侧的第三传感器（23）。

5.如权利要求1所述的平衡车，其特征在于，车架（1）采用整体式结构的金属板或硬质塑料板。

6.如权利要求1所述的平衡车，其特征在于，还包括一用于感测平衡车车架姿态的姿态传感器。

7.一种平衡车控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的平衡车，车架（1）发生扭变，

平衡车向右转向的条件为，第一传感器测得的扭力为正向增加，第四传感器测得的扭力反向减小，控制模块根据采集到的第一传感器扭力正向增加，第四传感器扭力反向减小的数据信息，控制平衡车右转；或者，

第二传感器测得的扭力为正向增加，第三传感器测得的扭力反向减小，控制模块根据采集到的第二传感器扭力正向增加，第三传感器扭力反向减小的数据信息，控制平衡车右转。

8.如权利要求7所述的一种平衡车控制方法，其特征在于，平衡车向左转向的条件为，

第一传感器测得的扭力反向减小，第四传感器测得的扭力正向增加，控制模块根据采集到的第一传感器扭力反向减小，第四传感器扭力正向增加的数据信息，控制平衡车左转。

9.如权利要求7所述的一种平衡车控制方法，其特征在于，平衡车向左转向的条件为，

第二传感器测得的扭力反向减小，第三传感器测得的扭力正向增加，控制模块根据采集到的第二传感器扭力反向减小，第三传感器扭力正向增加的数据信息，控制平衡车左转。

10.如权利要求7或8或9所述的一种平衡车控制方法，其特征在于，根据姿态传感器测得的平衡车车架姿态数据以控制平衡车前进或后退，即姿态传感器测得平衡车车架前倾，则平衡车前进，姿态传感器测得平衡车车架后倾，则平衡车减速或后退。