CN108931950B - 一种儿童摇摇车的安全智能控制方法 - Google Patents

一种儿童摇摇车的安全智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种儿童摇摇车的智能安全控制方法，本方法通过测量儿童的体重，将所得重力信号转换为电压信号，经过ADC7705模数转换器采样处理并放大，求解转子转差率电机机械功率和电机输出转矩与传感器输出电压关系式，同时设计机械结构确定急回运动幅度因数和频率因数的参数值，确定体重与儿童摇摇车运行幅频的关系表达式，从而实现控制模块自动调节儿童摇摇车的运行状态，实现智能控制，提高儿童摇摇车电机运行的安全性。

Description

一种儿童摇摇车的安全智能控制方法
技术领域
本发明涉及一种儿童摇摇车，特别是涉及一种儿童摇摇车的安全智能控制方法。
背景技术
儿童摇摇车又称“儿童摇摆机”，是在大众场合随处可见的一项儿童娱乐设施。然而目前儿童摇摇车在结构设计方面存在一些不合理之处，部分儿童在乘坐摇摇车时曾发生过严重的安全事故。当前的儿童摇摇车的运动机构通常是曲柄摇杆。曲柄摇杆由曲柄、连杆、摇杆、机架构成，形成曲柄摇杆机构的前提是必须满足以下的杆长条件：(1)最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和；(2)组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。这种曲柄摇杆机构与电机输出端相连接，当使用者投币后电机启动并开始运行，曲柄摇杆也随之开始运行。但是由于这种单一的曲柄摇杆-电机结构固定不变，造成机器在运行时摇摆的幅度与频率也保持不变，这种机械结构较为单一，因此儿童摇摇车在工作时的安全性较低。
儿童是特殊的弱势人群，儿童相对于普通成人来说有较多的特别之处，比如儿童的平衡能力不如成人好、骨骼强度不够、肌肉力量较小等，不同年龄的儿童、同一年龄不同体质的儿童的体重各不相同，且随着年龄的增长儿童的体重不断变化，这种生理特征的不成熟影响着儿童使用儿童摇摇车的安全性，对这一类特殊人群在使用单一的曲柄摇杆-电机结构设计的儿童摇摇车过程时，由于儿童摇摇车无法根据儿童的体重自动调节摇摆的幅度与频率，儿童身体上可能会受到伤害。
目前儿童摇摇车的安全控制方法主要是幅频控制法。这种方法的原理是通过选定特定电机的参数和设计急回运动较小的曲柄摇杆机构将儿童摇摇车的摇摆幅度和频率固定在安全范围内。但这种方法无法克服儿童摇摇车自身设计造成的缺陷，并不能从根本上解决儿童摇摇车的安全隐患。此外由于选定电机和设计机械结构时盲目性较大，儿童摇摇车只能在安全范围内运行但无法保证绝对安全，通常需要加装外部防护装置，这就导致了儿童摇摇车的成本大幅上升，设备体验性变差，大大降低了利润。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种儿童摇摇车的安全智能控制系统及方法，提高儿童摇摇车的安全性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种儿童摇摇车的智能安全控制系统，包括：
电源，所述电源用于为称重模块和控制模块供电；
称重模块，所述称重模块包括称重传感器和模数转换器，所述称重传感器的输出端与模数转换器的输入端连接，称重传感器将重力信号转换成电压信号，经模数转换器调节、放大和A/D转换，转换成数字信号送至控制模块运算处理；
控制模块，所述控制模块与电机连接，用于控制电机输出转矩。
一种儿童摇摇车的智能安全控制方法，包括如下步骤：
S1：开启电源，称重传感器开始工作，称重传感器将重力信号转换为电压信号；
S2：模数转换器将称重传感器输出的电压信号转换成数字信号送至控制模块进行运算处理，得出称重传感器输出电压Uo与儿童体重G的关系式：Uo＝MG，M为Uo与G相关的线性因数；
S3：称重传感器输出电压Uo经处理后放大K倍后得到电机输入电压U，调节电机输入电压U，记录单位时间△T内电压变化值△U，同时测量出转子转差率△s，通过实验数据拟合出U-s关系曲线，得到U与s关系式：U＝k·s，k是拟合出的电压U与转差率s的线性因数；
S4：首先计算出转子电流有效值
Figure GDA0002751327360000031
R为转子电阻，Xσ为转子漏抗；然后计算出电机所产生的总的机械功率
Figure GDA0002751327360000032
m为电机相数；
S5：通过工程实验得到电机的机械损耗pΩ和杂散损耗p△，然后求出机械角速度Ω＝2πn/60，最后得到电机输出转矩
Figure GDA0002751327360000033
得到电机输出转矩与传感器输出电压关系式：T＝CU2+D，C、D为线性因数；
S6：电机输出转矩控制儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，通过实验记录不同电机输出转矩时儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，画出T-L和T-S的关系曲线，确定幅矩和频矩关系式：L＝AT，S＝BT，A、B分别为与T-L和T-S相关的急回运动幅度和频率因数，通过机械结构的设计确定A、B的参数值，由此得到体重与儿童摇摇车运行幅度和频率的关系如式：L＝ACK2M2G2+AD，S＝BCK2M2G2+BD；
S7：设备运行时的幅度和频率是否处于安全范围，若否，则重新确定急回运动A、B的参数值；若是，则结束。
本发明的有益效果在于：
本发明通过测量儿童的体重，将所得重力信号转换为电压信号，经过ADC7705模数转换器采样处理并放大，求解转子转差率电机机械功率和电机输出转矩与传感器输出电压关系式，同时设计机械结构确定急回运动幅度因数和频率因数的参数值，确定体重与儿童摇摇车运行幅度和频率的关系表达式，从而控制儿童摇摇车运行的幅度和频率，提高儿童摇摇车电机运行的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中两幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例重力传感器电路设计图；
图2为本发明实施例电机转子等效电路图；
图3为本发明操作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种儿童摇摇车的智能安全控制系统，包括电源、称重模块和控制模块，所述电源用于为称重模块和控制模块供电；所述称重模块包括称重传感器和模数转换器，所述称重传感器的输出端与模数转换器的输入端连接，称重传感器将重力信号转换成电压信号，经模数转换器调节、放大和A/D转换，转换成数字信号送至控制模块运算处理；所述控制模块与电机连接，用于控制电机输出转矩，从而控制儿童摇摇车的幅度和频率，实现智能控制。
在本实施例中，称重传感器采用应变片式称重传感器，电源采用对称并具有良好正负自跟踪性能的自跟踪式电桥电源对应变片式称重传感器供电，使其电压保持稳定。
在本实施例中，所述模数转换器采用基于单片机的AD7705模数转换器，AD7705的串行接口包括5个信号:即/CS、SCLK、DIN、DOUT和/DRDY，DIN线用来向片内寄存器传输数据，而DOUT线用来访问寄存器里的数据，SCLK是串行时钟输入，/DRDY线作为AD7705的状态信号输出，/CS用来选择器件。
在本实施例中，所述控制模块为AD7705双通道ADC结构，其中，以型号IN-TEI80C196的16位单片机为主CPU，以AT89C52为辅CPU。
如图1-3所示，一种儿童摇摇车的智能安全控制方法，包括如下步骤：
1)传感器输出电压与儿童体重的关系式确定
称重传感器采用4枚应变片都受力作用的形式，开启电源后，称重传感器开始工作，其中输入电压Ui为儿童摇摇车的额定电压，记录四枚应变片电阻R1、R2、R3、R4的阻值，调节电源的频率，在频率等于50Hz的情况下，当儿童摇摇车运行状态稳定后，系统自动计算输出电压Uo，假如电桥平衡有R1＝R2＝R3＝R4，并且此时△Uo＝0。应变片受力电阻变化△R后，输出电压与输人电压关系可以用下列关系式表示为:△Uo＝△R×Ui/R，为了改善其温度特性,传感器中除采用本身温度自补偿应变片外,还在不受力方向上各贴二片零点补偿Rw1、Rw2和灵敏度补偿片R01、R02，减少电桥零点随温度的变化和桥输出电压随温度的变化。
ADC7705模数转换器将传感器输出的电压信号转换成数字信号送往微机进行运算处理，得出传感器输出电压Uo与儿童体重G的关系式：Uo＝MG，M为Uo与G相关的线性因数。
2)电压U与转差率s关系式的求解
传感器输出电压Uo经处理后放大K倍后得到电机输入电压U，在工程实验中调节电机输入电压U，记录单位时间△T内电压变化值△U，同时测量出转子转差率△s，通过实验数据拟合出U-s关系曲线，得到U与s关系式：U＝k·s，k是通过实验拟合出的电压U与转差率s的线性因数。
3)电机机械功率的求解
首先，计算出转子电流有效值
Figure GDA0002751327360000061
R为转子电阻，Xσ为转子漏抗；然后，计算出电机所产生的总的机械功率
Figure GDA0002751327360000062
m为电机相数。
4)电机输出转矩与传感器输出电压关系式的求解
通过工程实验得到电机的机械损耗pΩ和杂散损耗p△，然后求出机械角速度Ω＝2πn/60，最后得到电机输出转矩
Figure GDA0002751327360000063
得到电机输出转矩与传感器输出电压关系式：T＝CU2+D，C、D为线性因数。
5)体重与设备幅频关系式的求解
电机输出转矩控制儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，通过实验记录不同电机输出转矩时儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，画出T-L和T-S的关系曲线，确定幅矩和频矩关系式：L＝AT，S＝BT，A、B分别为与T-L和T-S相关的急回运动幅度和频率因数，通过机械结构的设计确定A、B的参数值，由此得到体重与儿童摇摇车运行幅度和频率的关系如式：L＝ACK2M2G2+AD，S＝BCK2M2G2+BD。判断设备运行时的幅度和频率是否处于安全范围，若否，则重新确定急回运动A、B的参数值；若是，则结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种儿童摇摇车的智能安全控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：开启电源，称重传感器开始工作，称重传感器将重力信号转换为电压信号；
S2：模数转换器将称重传感器输出的电压信号转换成数字信号送至控制模块进行运算处理，得出称重传感器输出电压Uo与儿童体重G的关系式：Uo＝MG，M为Uo与G相关的线性因数；
S3：称重传感器输出电压Uo经处理后放大K倍后得到电机输入电压U，调节电机输入电压U，记录单位时间△T内电压变化值△U，同时测量出转子转差率△s，通过实验数据拟合出U-s关系曲线，得到U与s关系式：U＝k·s，k是拟合出的电压U与转差率s的线性因数；
S4：首先计算出转子电流有效值
Figure FDA0002751327350000011
R为转子电阻，Xσ为转子漏抗；然后计算出电机所产生的总的机械功率
Figure FDA0002751327350000012
m为电机相数；
S5：通过工程实验得到电机的机械损耗pΩ和杂散损耗p△，然后求出机械角速度Ω＝2πn/60，最后得到电机输出转矩
Figure FDA0002751327350000013
得到电机输出转矩与传感器输出电压关系式：T＝CU2+D，C、D为线性因数；
S6：电机输出转矩控制儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，通过实验记录不同电机输出转矩时儿童摇摇车的摇摆幅度L与摇摆频率S，画出T-L和T-S的关系曲线，确定幅矩和频矩关系式：L＝AT，S＝BT，A、B分别为与T-L和T-S相关的急回运动幅度和频率因数，通过机械结构的设计确定A、B的参数值，由此得到体重与儿童摇摇车运行幅度和频率的关系如式：L＝ACK2M2G2+AD，S＝BCK2M2G2+BD；
S7：设备运行时的幅度和频率是否处于安全范围，若否，则重新确定急回运动A、B的参数值；若是，则结束。
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