CN109436163B - 两轮联动平衡车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两轮联动平衡车及其控制方法，其中两轮联动平衡车，包括：相对转动的左车架和右车架、安装于左车架上的左车轮、安装于右车架上的右车轮、用于驱动左车轮转动的左电机、用于驱动右车轮转动的右电机、用于感测左车架状态信息的第一传感模块、以及，用于感测右车架状态信息及根据左车架状态信息和右车架状态信息以控制左车架和右车架共同地平衡的主控制模块；所述第一传感模块、左电机及右电机均连接主控制模块；骑行时，平衡车能协同地调节右车轮的转速及左车轮的转速，使左车轮转速大小与右车轮转速的大小具有趋于一致的趋势。本发明平衡车两轮协同地调控，以达到共同的平衡，骑行平稳，转向安全。

Description

两轮联动平衡车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种两轮联动平衡车及其控制方法。

背景技术

平衡车的自平衡，以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。当这条轴往前倾斜时，平衡车车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，一方面产生让车辆前进的加速度，相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。平衡车中的一种车型为自平衡扭扭车，两车体可以相对转动。两轮平衡车的左车体与右车体各自独立的自平衡，指的是左右两个车体的自平衡各自独立地实现，恰如两个独轮的平衡车通过一根连接轴连接，两个独轮平衡车各自独立地实现自平衡，左、右两个车体的平衡没有关联，互不影响。而这种各自独立的两轮自平衡车，通常存在以下技术问题。

骑行时，因左右两个轮子相对实时的独立控制，因速度达到8km/h后，脚很难控制让两边踏板保持在相同的角度，导致左右两轮的速度不同，以致车子会在高速骑行时左右晃动，没有安全感。

发明内容

本发明涉及两轮联动平衡车及其控制方法，车上装有一块陀螺仪控制模块，属于第一传感模块，一块双电机控制板（此板附带一颗陀螺仪），属于主控制模块；陀螺仪控制模块固定在一边踏板上，双电机控制板固定在另一侧踏板上；陀螺仪控制模块负责将对应的踏板的角度传给主板，双电机控制板一方面采集自己对应的板的角度，一方面根据两个踏板的角度分析计算驱动对应的电机实现，实现踏板的平衡且能联动，即解决以上不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

两轮联动平衡车，包括：相对转动的左车架和右车架、安装于左车架上的左车轮、安装于右车架上的右车轮、用于驱动左车轮转动的左电机、用于驱动右车轮转动的右电机、用于感测左车架状态信息的第一传感模块、以及，用于感测右车架状态信息及根据左车架状态信息和右车架状态信息以控制左车架和右车架共同地平衡的主控制模块；所述第一传感模块、左电机及右电机均连接主控制模块；第一传感模块设置于左架上，主控制模块设置于右车架上，左电机内置于左车轮，右电机内置于右车轮；所述第一传感模块为陀螺仪控制模块，所述陀螺仪控制模块上设置有六轴陀螺仪或九轴陀螺仪。所述主控制模块上也设置有六轴陀螺仪或九轴陀螺仪。

骑行时，所述主控制模块根据第一传感模块感测到的左车架状态信息以及主控制模块自身感测到的右车架状态信息，协同地调节右车轮的转速及左车轮的转速，使左车轮转速大小与右车轮转速的大小具有趋于一致的趋势。

通过采用上述技术方案，两轮联动平衡车对左右两车轮进行协同地调节，实现两轮联动，以使左、右两车架达到共同的平衡，有别于左右两车架的各自独立的地实现自平衡，本发明技术方案使得平衡车在骑行过程中，平稳安全，直行时不致于突然转向，转向时不致于过于激烈和速度过快，有利于操控者使用，便于推广应用。

作为本发明的进一步改进，左车架状态信息包括左车架的倾斜角度及左车轮的水平面旋转角速度，右车架状态信息包括右车架的倾斜角度及右车轮的水平面旋转角速度。通过采用上述技术方案，左车架状态信息包括左车架的倾斜角度及左车轮的水平面旋转角速度，其中左车架的倾斜角度，指的是左车架相对于水平面的倾斜角度，左车轮的水平面旋转角速度，指的是左车轮的水平面内的旋转角速度，该角速度位于水平面内，为绕Z轴的旋转角速度。

作为本发明的进一步改进，左车架上设置有左踏板，右车架上设置有右踏板，左踏板及右踏板下均设置有用于感测操作者操作信息的第二传感模块，所述第二传感模块连接所述主控制模块。通过采用上述技术方案，第二传感模块可感测出踏板上是否站有操作者。即可通过感测操作者的压力/重力信息，来感测是否有操作者站于踏板上。

平衡车控制方法，采用上述任一项技术方案所述的两轮联动平衡车，

骑行时，当左车架的倾斜角度大于右车架的倾斜角度，左车轮的转速大于右车轮的转速时，主控制模块控制左电机的驱动电压值降低，同时控制右电机的驱动电压值升高，以使两车轮转速具有趋于一致的趋势；所谓的左车架的倾斜角度大于右车架的倾斜角度，不包括方向的比较，而仅仅是角度大小的比较。

当右车架的倾斜角度大于左车架的倾斜角度，右车轮的转速大于左车轮的转速时，主控制模块控制右电机的驱动电压值降低，同时控制左电机的驱动电压值升高，以使两车轮转速具有趋于一致的趋势。对于直线骑行来说，骑行平稳安全，转速大的一侧车轮得到削弱，转速小的一侧车轮得到补偿，两轮协调地实现平衡车整体的平衡，安全可靠。

转弯时，主控制模块控制车轮转速较大的一侧的电机的驱动电压值降低，同时控制车轮转速较小的一侧的电机的驱动电压值升高，以使两车轮转速的大小具有趋于一致的趋势。转弯时的转速，限涉及转速的大小，无关方向。显然，驱动电压值的大小受到踏板角度的影响，转弯时，因操作者主观意识操控踏板，能实现转向，只是在转弯时，主控制模块对各车架上的驱动电压值有削弱和补偿作用，以实现平稳转弯，当然，该削弱和补偿作用不足以抵销操作者的主观转向操作，因转弯轮轮速差的原因，平衡车能实现平稳转向。通过采用上述技术方案，平衡车控制方法简便高效，能有效地控制两个车轮联动，即协同地实现共同的平衡，达到骑行稳定，骑行安全的效果。

作为本发明的进一步改进，骑行之前，主控制模块和陀螺仪控制模块通电，陀螺仪控制模块将左车架的倾斜角度及左车轮的水平面旋转角速度按照固定周期传输给主控制模块，主控制模块按照同一固定周期测到右车架的倾斜角度及右车轮的水平面旋转角速度；当主控制模块通过第二传感模块检测到左踏板和右踏板都被踩下，则启动左电机及右电机，主控制模块根据左车架的状态信息及右车架的状态信息综合运算得到左车轮以及右车轮对应的电机驱动电压值，以驱动各车轮协同地转动。通过采用上述技术方案，骑行之前，第二传感模块需要感测到有操作者位于踏板之上时，主控制模块才启动两电机，安全可靠，在启动两电机之后，进行骑行时，两车轮在主控制模块的作用下实现协同作用，达到共同的平衡，提高了安全性能。

作为本发明的进一步改进，主控制模块采用的算法表达式为：

KI_PWM_L=Ki*Angle_err_L+KI_PWM_L； （6.1）；

PWM_L=Kp*Angle_err_L+KI_PWM_L+Kd*Angle_err_kd_L-(GROP_L*α+GROP_R*β)*Kf； （6.2）；

KI_PWM_R=Ki*Angle_err_R+KI_PWM_R； （6.3）；

PWM_R=Kp*Angle_err_R+KI_PWM_R+Kd*Angle_err_kd_R+(GROP_L*β+GROP_R*α)*Kf； （6.4）；

其中，PWM_L为左车轮矢量电压值，KI_PWM_L为左车轮积分值，

Angle_err_kd_L=Angle_err_L-Angle_err_last_L；Angle_err_last_L为左车架上次倾角误差，Angle_err_L为左车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_L为左车架倾角变化率，GROP_L为左车轮水平面旋转角速度，PWM_R为右车轮矢量电压值，KI_PWM_R为右车轮积分值，Angle_err_last_R为右车架上次倾角误差，Angle_err_R为右车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_R=Angle_err_R-Angle_err_last_R，

Angle_err_kd_R为右车架倾角变化率，GROP_R为右车轮水平面旋转角速度；Kp为比例项参数，Ki为积分项参数，Kd为微分项参数，Kf为旋转抑制参数，α为权重系数一，β为权重系数二。通过采用上述技术方案，上述算法结合各传感模块和控制模块，可便捷高效地实现平衡车的控制，实现两个车轮协同的调节，达到共同地平衡，具体来说，左、右车轮水平面旋转角速度为矢量速度，从俯视水平面看，若左、右车轮水平面旋转角速度的方向为顺时针（取顺时针为正方向），PWM_L左车轮矢量电压值会减去一个抑制项Kf，PWM_R右车轮矢量电压值会增加一个抑制项Kf，若左、右车轮水平面旋转角速度的方向为逆时针，则左、右车轮水平面旋转角速度为负，PWM_L左车轮矢量电压值会加上一个抑制项Kf， PWM_R右车轮矢量电压值会减去一个抑制项Kf，这样，两车轮可协同地实现平衡，以使平衡车实现整体地平衡。

作为本发明的进一步改进，α+β=1，α≥β。通过采用上述技术方案，权利系数使得主控制模块在参考左、右两车轮水平面的旋转角速度时，将权重系数大的分配给车轮转速较大的一侧，从而实现更好地调控。

作为本发明的进一步改进，α=0.7，β=0.3。通过采用上述技术方案，两权重系数的具体值可采用0.7及0.3，两者之和为1，满足控制要求，在其他方案中，α=0.8，β=0.2；或者α=0.6，β=0.4等。

作为本发明的进一步改进，KI_PWM_L和KI_PWM_R到达预先设定的阀值后不再增加。通过采用上述技术方案，左车轮积分值和右车轮积分值达到预设的阀值后，不再增加，提高了安全性能，使平衡车不超速，不倾翻。

作为本发明的进一步改进，所述固定周期大于等于200HZ。通过采用上述技术方案，固定周期的具体数值设定，有利于各信息的精准实时感测，保证了平衡车的可靠操控。

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两轮联动平衡车的整体结构示意图。

图2为本发明一个实施例提供的两轮联动平衡车的另一角度的整体结构示意图。

图中：1左车轮、2左车架、3中心轴、4右车架、5右车轮、6双电机控制板、7电池、8陀螺控制板。

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。电连接可以是直接通过导线连接，也可以是无线电连接。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。

请参阅图1及图2，两轮联动平衡车，包括：相对转动的左车架2和右车架4、安装于左车架2上的左车轮1、安装于右车架4上的右车轮5、用于驱动左车轮转动的左电机、用于驱动右车轮转动的右电机、用于感测左车架状态信息的第一传感模块、以及，用于感测右车架状态信息及根据左车架状态信息和右车架状态信息以控制左车架和右车架共同地平衡的主控制模块；左车架2和右车架4之间通过中心轴3转动连接，第一传感模块、左电机及右电机均连接主控制模块；第一传感模块设置于左架上，主控制模块设置于右车架上，左电机内置于左车轮，右电机内置于右车轮；主控制模块可为双电机控制板6，安装于右车架4上，电池7为电池模块，用于给各电机、各传感模块及主控制模块供电，电池7安装于左车架2上，第一传感模块包括陀螺控制板8，陀螺控制板8安装于左车架2上。

骑行时，所述主控制模块根据第一传感模块感测到的左车架状态信息以及主控制模块自身感测到的右车架状态信息，协同地调节右车轮的转速及左车轮的转速，使左车轮转速大小与右车轮转速的大小具有趋于一致的趋势。

本发明两轮联动平衡车的控制原理如下：

（1）陀螺控制板通过通讯线和供电线连接到双电机控制板，双电机控制板通过电源线连接到电池，当双电机控制板通电后，陀螺控制板也会立即通电。

（2）两块板都通电后，MCU开始工作，陀螺控制板会将左踏板的倾斜角度Angle_L，水平面旋转角速度GROP_L按照固定周期（大于等于200HZ）实时传输给双电机驱动板，双电机驱动板因自身也有配有6轴陀螺，故双电机驱动板也能按照同一固定周期实时得到右踏板的倾斜角度Angle_R，以及水平面旋转角速度GROP_R。

（3）当双电机驱动板同时得到左右两边踏板的倾斜角度，且通过传感器检测到人站在车上，即左踏板和右踏板都被踩下，此时左右电机启动工作模式，即双电机驱动板会根据左右踏板倾角Angle_L，GROP_L，Angle_R，GROP_R综合运算得到对应电机驱动电压值PWM_L（左电机矢量电压输出值），PWM_R（右电机矢量电压输出值）。

（4）计算公式如下文。

平衡的基本算法，设定控制系统算法用经典PID算法；左右两轮使用同一PID算法；

Kp=比例项参数；

Ki=积分项参数；

Kd=微分项参数；

Kf=旋转抑制参数；

KI_PWM=积分值；

Angle_err_last=上次倾角误差；

Angle_err=当前倾角误差；

Angle_err_kd=Angle_err-Angle_err_last倾角变化率；

KI_PWM=Ki*Angle_err+KI_PWM；

PWM=Kp*Angle_err+KI_PWM+Kd*Angle_err_kd；

以上为平衡的基本算法，为了实现左右车轮互相制约实现扭扭车上述优点，本发明中将经典PID算法进行一次优化得到以下算法：

关键参数：

PWM_L=左车轮矢量电压值；

KI_PWM_L=左车轮积分值；

Angle_err_last_L=左车架上次倾角误差；

Angle_err_L=左车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_L=Angle_err_L-Angle_err_last_L左车架倾角变化率；

GROP_L=左车轮水平面旋转角速度；

PWM_R=右车轮矢量电压值；

KI_PWM_R=右车轮积分值；

Angle_err_last_R=右车架上次倾角误差；

Angle_err_R=右车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_R=Angle_err_R-Angle_err_last_R右车架倾角变化率；

GROP_R=右车轮水平面旋转角速度；

KI_PWM_L=Ki*Angle_err_L+KI_PWM_L； （6.1）；

PWM_L=Kp*Angle_err_L+KI_PWM_L+Kd*Angle_err_kd_L-(GROP_L*α+GROP_R*β)*Kf； （6.2）；

KI_PWM_R=Ki*Angle_err_R+KI_PWM_R； （6.3）；

PWM_R=Kp*Angle_err_R+KI_PWM_R+Kd*Angle_err_kd_R+(GROP_L*β+GROP_R*α)*Kf； （6.4）；

式（6.1）表示的意思是当前左车轮积分值等于左车架当前倾角误差进行积分项作用后的值与上一次左车轮积分值之和；

上式中各参数均不带单位，式（6.2）和（6.4）表示的意思是左、右车轮矢量电压值具有一预设的阀值，比如1500或2000，各车轮矢量电压值在达到该阀值后便不再增加。预设的阀值可存储于主控制模块的存储器中，上述算法由主控制模块中的处理器进行运算处理，即由MCU微控单元进行运算处理。

式（6.2）和（6.4）中α+β=1，α≥β，本实施例中，α=0.7，β=0.3。

当车子原地转圈时，踩下一定的倾斜角度后，车子旋转速度会增加，但旋转到一定值后KI_PWM_L，KI_PWM_R到达阀值不会增加，但旋转抑制部分Kf会增加，也就是旋转速度越快，抑制项越大，最后会平衡在一个固定的转速，也就是最大旋转转速，此值可以根据Kf大小设置成合理的最大转速，当车子直线行驶时，由于路面的不平整，可能会给左右踏板带来倾斜角度的抖动，导致车子左右车轮比例积分微分项不同，车子发生旋转，但因为抑制项Kf的存在，会快速动态调整，PID大的一边会削弱，PID小的一边得到补偿，即可轻松直线行驶。

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 (9)

1.两轮联动平衡车，其特征在于，包括：相对转动的左车架和右车架、安装于左车架上的左车轮、安装于右车架上的右车轮、用于驱动左车轮转动的左电机、用于驱动右车轮转动的右电机、用于感测左车架状态信息的第一传感模块、以及，主控制模块；所述第一传感模块、左电机及右电机均连接主控制模块；所述主控制模块用于感测右车架状态信息及根据左车架状态信息和右车架状态信息以控制左车架和右车架共同地平衡；

骑行时，所述主控制模块根据第一传感模块感测到的左车架状态信息以及主控制模块感测到的右车架状态信息，协同地调节右车轮的转速及左车轮的转速，使左车轮转速大小与右车轮转速的大小具有趋于一致的趋势，从而使左车架和右车架共同地实现平衡车整体的平衡；

主控制模块采用的算法表达式为：

KI_PWM_L＝Ki*Angle_err_L+KI_PWM_L；(6.1)；

PWM_L＝Kp*Angle_err_L+KI_PWM_L+Kd*Angle_err_kd_L-(GROP_L*α+GROP_R*β)*Kf；(6.2)；

KI_PWM_R＝Ki*Angle_err_R+KI_PWM_R；(6.3)；

PWM_R＝Kp*Angle_err_R+KI_PWM_R+Kd*Angle_err_kd_R+(GROP_L*β+GROP_R*α)*Kf；(6.4)；

其中，PWM_L为左车轮矢量电压值，KI_PWM_L为左车轮积分值，

Angle_err_kd_L＝Angle_err_L-Angle_err_last_L；Angle_err_last_L为左车架上次倾角误差，Angle_err_L为左车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_L为左车轮倾角变化率，GROP_L为左车轮水平面旋转角速度，PWM_R为右车轮矢量电压值，KI_PWM_R为右车轮积分值，Angle_err_last_R为右车架上次倾角误差，Angle_err_R为右车架当前倾角误差；

Angle_err_kd_R＝Angle_err_R-Angle_err_last_R，

Angle_err_kd_R为右车轮倾角变化率，GROP_R为右车轮水平面旋转角速度；Kp为比例项参数，Ki为积分项参数，Kd为微分项参数，Kf为旋转抑制参数，α为权重系数一，β为权重系数二。

2.如权利要求1所述的两轮联动平衡车，其特征在于，左车架状态信息包括左车架的倾斜角度及左车轮的水平面旋转角速度，右车架状态信息包括右车架的倾斜角度及右车轮的水平面旋转角速度。

3.如权利要求1所述的两轮联动平衡车，其特征在于，左车架上设置有左踏板，右车架上设置有右踏板，左踏板及右踏板下均设置有用于感测操作者操作信息的第二传感模块，所述第二传感模块连接所述主控制模块。

4.平衡车控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的两轮联动平衡车，

骑行时，当左车架的倾斜角度大于右车架的倾斜角度，左车轮的转速大于右车轮的转速时，主控制模块控制左电机的驱动电压值降低，同时控制右电机的驱动电压值升高，以使两车轮转速具有趋于一致的趋势；

当右车架的倾斜角度大于左车架的倾斜角度，右车轮的转速大于左车轮的转速时，主控制模块控制右电机的驱动电压值降低，同时控制左电机的驱动电压值升高，以使两车轮转速具有趋于一致的趋势。

5.如权利要求4所述的平衡车控制方法，其特征在于，骑行之前，主控制模块和陀螺仪控制模块通电，陀螺仪控制模块将左车架的倾斜角度及左车轮的水平面旋转角速度按照固定周期传输给主控制模块，主控制模块按照同一固定周期测到右车架的倾斜角度及右车轮的水平面旋转角速度；当主控制模块通过第二传感模块检测到左踏板和右踏板都被踩下，则启动左电机及右电机，主控制模块根据左车架的状态信息及右车架的状态信息综合运算得到左车轮以及右车轮对应的电机驱动电压值，以驱动各车轮协同地转动。

6.如权利要求4所述的平衡车控制方法，其特征在于，α+β＝1，α≥β。

7.如权利要求4所述的平衡车控制方法，其特征在于，α＝0.7，β＝0.3。

8.如权利要求4所述的平衡车控制方法，其特征在于，KI_PWM_L和KI_PWM_R到达预先设定的阀值后不再增加。

9.如权利要求5所述的平衡车控制方法，其特征在于，所述固定周期大于等于200HZ。