CN109533156A - 平衡车车轮滑动的判断方法以及平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平衡车车轮滑动的判断方法以及平衡车，该判断方法包括：步骤一，获取前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角值；步骤二，获取前轮转动角速度和后轮转动角速度，根据前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值判断车轮是否滑动。通过本发明提供的技术方案，能够解决现有技术中的无法实时检测两轮汽车车轮是否滑动的问题。

Description

平衡车车轮滑动的判断方法以及平衡车

技术领域

本发明涉及平衡车技术领域，具体而言，涉及一种平衡车车轮滑动的判断方法以及平衡车。

背景技术

目前，随着城市汽车数量的不断增加，交通堵塞、环境污染和停车困难等问题越来越严重。针对这些问题，陆续出现了限号行驶和电动汽车等解决方案，但这些方案并不能完成解决交通堵塞和停车困难等问题。两轮汽车是一种新型汽车，它的两个车轮前后布置，车上提供1到2个座位，尺寸只有正常四轮汽车一半宽，重量也不到正常四轮汽车的一半。城市交通推广两轮汽车，不但可以满足人们大多数情况下的出行需求，而且还可极大避免交通堵塞和停车困难等问题。

由于两轮汽车由前后两个车轮构成，因此是不稳定结构，需要采用平衡稳定控制保证两轮汽车在滚动方向的平衡。离心力矩是影响两轮汽车平衡稳定的主要力矩，它与车速的平方成正比。两轮汽车的后轮是驱动轮，当车轮没有滑动时，可以根据后轮转速计算车速，得到离心力矩，进而实现两轮汽车的平衡稳定。一旦两轮汽车后轮出现滑动，离心力矩将不能计算，常规平衡稳定将不能保证。因此，需要在平衡车行驶期间实时对车轮是否发生滑动进行判断、检测。

现有技术中检测车轮是否滑动是通过以下方式进行检测：

对于四轮汽车，正常行驶过程中，两个前轮转速一致，两个后轮转速一致。而前后轮的转速会因为前轮发生转向操作而略有不同。一般会在四轮汽车的每个车轮上都安装有转速传感器，并比较这四个转速传感器的测量值，当发现其中1到2个车轮的转速测量值与其他转速测量值的偏差超过一定范围，则表明汽车车轮出现滑动。但此方式只适用于四轮汽车，对于平衡车，其只有两个轮子，并且两轮汽车在行驶中会存在滚动倾斜，即使车轮不出现滑动，受滚动倾角和前轮转向角影响，前后车轮的转速存在较大差别。此时仅依赖于两个车轮的转速不能判断车轮是否滑动。

另一种方式是通过单板或双板式的侧滑试验台，通过该试验台来测量汽车车轮的横向位移，以检测汽车的侧滑量。此方式虽然能够准确判断两轮汽车车轮是否发生滑动，但检测方式依赖试验台，不能进行实时在线检测。

发明内容

本发明提供一种平衡车车轮滑动的判断方法以及平衡车，以解决现有技术中的无法实时检测两轮汽车车轮是否滑动的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种平衡车车轮滑动的判断方法，判断方法包括：步骤一，获取前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角值；步骤二，获取前轮转动角速度和后轮转动角速度，根据前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值判断车轮是否滑动。

进一步地，步骤一具体包括：获取车架相对地面的俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线，根据俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到夹角值。

进一步地，根据俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到夹角值，具体包括：

通过公式一计算得到夹角值，公式一为：

其中，α为前轮在竖直方向的中心面在水平面的投影与车身在竖直方向的中心面在水平面投影之间的夹角；n_fw＝[n_fw(1) n_fw(2) n_fw(3)]^T为平衡车前轮所在平面的法线，n_fw(1)、n_fw(2)和n_fw(3)分别为前轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量；n_rw＝[n_rw(1) n_rw(2) n_rw(3)]^T为平衡车后轮所在平面的法线，n_rw(1)、n_rw(2)和n_rw(3)分别为后轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量；θ_b为车架相对地面的俯仰角。

进一步地，步骤一具体包括：获取车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值，根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值计算得到夹角值。

进一步地，根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值计算得到夹角值，具体包括：

通过公式二计算得到夹角值，公式二为：

其中，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角，为车架相对地面的滚动角，θ_s为方向盘旋转轴与竖直方向的夹角，ψ_s为方向盘的旋转角。

进一步地，步骤二具体包括：

将前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值带入公式三中计算得到差值，公式三为：

根据差值k判断车轮是否滑动，当k大于或等于预设值时，则判断车轮打滑；

其中，θ_fw为前轮转动角速度，θ_rw为后轮转动角速度，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角。

进一步地，预设值为σ，σ＝c*θ_rw，其中，c的取值范围在3*10^-4至1*10^-3之间。

根据本发明的另一方面，提供了一种平衡车，平衡车包括：车架；前车轮，设置在车架上；后车轮，设置在车架上；惯性测量单元，用于测量车架相对地面的滚动角；方向盘编码器，用于测量方向盘的旋转角；转速传感器，用于测量前车轮和后车轮的转动角速度；处理器，与惯性测量单元、方向盘编码器以及转速传感器电连接。

进一步地，平衡车还包括处理器，与惯性测量单元、方向盘编码器以及转速传感器电连接，处理器根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角、方向盘的旋转角以及前车轮的转动角速度、后车轮的转动角速度判断车轮是否滑动。

进一步地，平衡车还包括平衡系统，设置在车架上，平衡系统用于调整车架平衡，控制器，分别与处理器和平衡系统电连接，控制器根据处理器的处理数据控制平衡系统。

应用本发明的技术方案，通过获取前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影的夹角值，并根据前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值即可判断车轮是否发生滑动，由于前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值均可实时获取，因此通过该判断方法能够实时对平衡车进行检测，准确判断车轮的打滑情况，如此能够满足平衡车实时检测车轮是否打滑的需求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例提供的平衡车的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的平衡车所处的坐标系的示意图；

图3示出了试验中平衡车滚动角和时间的变化关系示意图；

图4示出了试验中平衡车前后轮转速差和时间的变化关系示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、前车轮；20、后车轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种平衡车车轮滑动的判断方法，该判断方法包括：

步骤一，获取前轮10所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角值。

其中，前轮10所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角值可通过仪器直接测得，也可通过测量其它相关值，并通过其它相关值来计算该夹角值。

步骤二，获取前轮10的转动角速度和后轮20的转动角速度，根据前轮10的转动角速度、后轮20的转动角速度以及夹角值判断车轮是否滑动。

其中，如图1所示可知，当获取该夹角值之后，即可通过前轮10的转动角速度和后轮20的转动角速度的关系判断车轮是否发生滑动。通过上述关系可判断前轮10是否打滑，也可判断后轮20是否打滑。在本实施例中，平衡车以后轮作为驱动轮，因此通过上述判断方法判断平衡车后轮是否发生打滑。

通过获取前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影的夹角值，并根据前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值即可判断车轮是否发生滑动，

由于前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角值可通过现有仪器测量得出或通过计算得出，无需依靠特殊试验平台的装置。因此通过该判断方法能够实时对平衡车进行检测，并准确判断车轮的打滑情况，如此能够满足平衡车实时检测车轮是否打滑的需求。并且，平衡车能够根据该车轮情况及时调节平衡车的平衡系统，使平衡车能够平稳、安全地行驶，进而能够进一步提高平衡车的平衡性能。

如图1和图2所示，具体地，步骤一可通过以下方式进行，具体包括：

获取车架相对地面的俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线，根据俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到夹角值。通过上述方式能够直接、准确地获取该夹角值。

其中，根据俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到夹角值，具体包括：

通过公式一计算得到夹角值，该公式一为：

其中，在公式一中，α为前轮在竖直方向的中心面在水平面的投影与车身在竖直方向的中心面在水平面投影的夹角，前轮在竖直方向的中心面为前轮在竖直方向将前轮对称分割为两半的中心平面，车身在竖直方向的中心面为在竖直方向将车身对称分割为两半的中心面；

n_fw＝[n_fw(1) n_fw(2) n_fw(3)]^T为平衡车前轮所在平面的法线，具体的，n_fw(1)、n_fw(2)和n_fw(3)分别为前轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量；

n_rw＝[n_rw(1) n_rw(2) n_rw(3)]^T为平衡车后轮所在平面的法线，n_rw(1)、n_rw(2)和n_rw(3)分别为后轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量，其中，如图2所示，前轮和后轮的X轴、Y轴、Z轴为同一坐标系；

其中，在图2中，沿X轴转动的运动为滚动运动，沿Y轴转动的运动为俯仰运动，沿Z轴转动的运动为偏航运动。在本实施例中，θ_b作为计算α的参数之一，其为车架相对地面的俯仰角，即在图2中为绕Y轴转动的角度。

上述俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线均可通过相关公式和装置测量得出，将这些数值带入公式一后即可得到前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影的夹角数值。

在本实施例中，通过转速传感器检测前轮和后轮的转动角速度，将前轮转动角速度、后轮转动角速度以及夹角数值带入公式三中，其中，公式三为：

在上述公式中，θ_fw为前轮转动角速度，θ_rw为后轮转动角速度，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角。

通过该公式三得到差值k，根据该差值k判断车轮是否滑动。

由于在理论值中，前轮转动角速度和后轮转动角速度应当满足如下关系：

而当车轮发生打滑时，则上述关系就会破坏，因此，通过公式三即可得到前轮转动角速度与后轮转动角速度的差值大小，当差值大于某预设值时，则认为车轮发生打滑，即可通过该数值调节平衡车的平衡系统，保证平衡车的平衡行驶。

具体的，在本实施例中，该预设值为σ，其中σ会根据平衡车结构不同、传感器测量误差范围不同发生变化，在本实施例中，将σ＝c*θ_rw，其中，c的取值范围在3*10^-4至1*10^-3之间。该范围值是将各传感器的测量值误差范围带入公式一或下述的公式二中，可以得到前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影的夹角的范围值，如此可得c的范围值。通过该公式可在保证判断精度的同时便于数据采集。

在本发明又一实施例中，与上述实施例的不同之处在于，步骤一的测量方式不同，具体的：

获取车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值，根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值计算得到夹角值。

在上述步骤中，滚动角可通过平衡车的平衡控制内的惯性测量单元得出，方向盘旋转角可通过方向盘转向编码器得到，而方向盘旋转轴与竖直方向的夹角为固定值，一般在20度至30度之间，因此上述数值均可通过现有结构检测得到。

具体地，是将车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值带入公式二中得到，公式二具体为：

其中，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影的夹角，为车架相对地面的滚动角即在图2中绕X轴的转动角度，θ_s为方向盘旋转轴与竖直方向的夹角，ψ_s为方向盘的旋转角。

在上述公式中，是认为平衡车在水平地面行驶条件下进行计算的，即认为公式一中的θ_b为0。因此，该公式的计算准确度不如实施例一中的准确度，但本实施例中的数据获取以及计算复杂程度则比实施例一简单很多，能够简化装置结构，利用现有结构进行计算，节省装置成本。

在通过公式二计算得到夹角值后，将该夹角值以及前轮转动角速度、后轮转动角速度带入公式三中即可判断得出车轮是否打滑。

下面通过试验来对该判断方法进行说明

假设某两轮汽车以20km/h的速度匀速行驶4秒后，前轮转向2°，持续10s后恢复直行。为保证两轮汽车平衡稳定，滚动角变化值如图3所示，而图4为前后轮转动角速度差的绝对值的变化曲线。

通过上述数据可知，平衡车在转弯过程中，最容易出现后轮滑动。由图4可以看出，转弯过程中，前后轮转速差受到两轮汽车滚动角的影响，不能用于后轮滑动的判断条件。而k不受两轮汽车滚动角的影响，只需要考虑姿态传感器的测量噪声，设定合适的滑动判断阀值即可。

在本发明又一实施例中，提供了一种平衡车，该平衡车包括：车架、前车轮、后车轮、惯性测量单元、方向编码器、转速传感器以及处理器。其中，前车轮设置在车架上。后车轮设置在车架上。惯性测量单元用于测量车架相对地面的滚动角。方向盘编码器用于测量方向盘的旋转角。转速传感器用于测量前车轮和后车轮的转动角速度。处理器与惯性测量单元、方向盘编码器以及转速传感器电连接，处理器根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角、方向盘的旋转角以及前车轮的转速、后车轮的转速判断车轮是否滑动。

该平衡车还包括平衡系统和控制器，平衡系统设置在车架上，平衡系统用于调整车架平衡，控制器分别与处理器和平衡系统电连接，控制器根据处理器的处理数据控制平衡系统。当处理器判断处车轮滑动时，能够将数据及时处理并将调整数据传递至控制器，控制器根据调整数据控制平衡系统做出相应调整，以使平衡车处于平衡状态。

通过该上述装置能够实时对平衡车进行检测，准确判断车轮的打滑情况，如此能够满足平衡车实时检测车轮是否打滑的需求。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，所述判断方法包括：

步骤一，获取前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角值；

步骤二，获取前轮转动角速度和后轮转动角速度，根据所述前轮转动角速度、所述后轮转动角速度以及所述夹角值判断车轮是否滑动。

2.根据权利要求1所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

获取车架相对地面的俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线，根据所述俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到所述夹角值。

3.根据权利要求2所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，根据所述俯仰角、前轮所在平面的法线以及后轮所在平面的法线计算得到所述夹角值，具体包括：

通过公式一计算得到所述夹角值，所述公式一为：

其中，α为前轮在竖直方向的中心面在水平面的投影与车身在竖直方向的中心面在水平面投影之间的夹角；

n_fw＝[n_fw(1) n_fw(2) n_fw(3)]^T为平衡车前轮所在平面的法线，n_fw(1)、n_fw(2)和n_fw(3)分别为前轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量；

n_rw＝[n_rw(1) n_rw(2) n_rw(3)]^T为平衡车后轮所在平面的法线，n_rw(1)、n_rw(2)和n_rw(3)分别为后轮在X轴、Y轴和Z轴上的向量；

θ_b为车架相对地面的俯仰角。

4.根据权利要求1所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

获取车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值，根据所述车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值计算得到所述夹角值。

5.根据权利要求4所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，根据所述车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角以及方向盘的旋转角的数值计算得到所述夹角值，具体包括：

通过公式二计算得到所述夹角值，所述公式二为：

其中，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角，为车架相对地面的滚动角，θ_s为方向盘旋转轴与竖直方向的夹角，ψ_s为方向盘的旋转角。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

将所述前轮转动角速度、所述后轮转动角速度以及所述夹角值带入公式三中计算得到差值，所述公式三为：

根据所述差值k判断车轮是否滑动，当k大于或等于预设值时，则判断车轮打滑；

其中，θ_fw为前轮转动角速度，θ_rw为后轮转动角速度，α为前轮所在平面在水平面的投影与车身所在平面在水平面投影之间的夹角。

7.根据权利要求6所述的平衡车车轮滑动的判断方法，其特征在于，所述预设值为σ，σ＝c*θ_rw，其中，c的取值范围在3*10^-4至1*10^-3之间。

8.一种平衡车，其特征在于，所述平衡车包括：

车架；

前车轮，设置在所述车架上；

后车轮，设置在所述车架上；

惯性测量单元，用于测量车架相对地面的滚动角；

方向盘编码器，用于测量方向盘的旋转角；

转速传感器，用于测量所述前车轮和所述后车轮的转动角速度。

9.根据权利要求8所述的平衡车，其特征在于，所述平衡车还包括：

处理器，与所述惯性测量单元、所述方向盘编码器以及所述转速传感器电连接，所述处理器根据车架相对地面的滚动角、方向盘旋转轴与竖直方向的夹角、方向盘的旋转角以及前车轮的转动角速度、后车轮的转动角速度判断车轮是否滑动。

10.根据权利要求9所述的平衡车，其特征在于，所述平衡车还包括：

平衡系统，设置在所述车架上，所述平衡系统用于调整所述车架平衡，

控制器，分别与所述处理器和所述平衡系统电连接，所述控制器根据所述处理器的处理数据控制所述平衡系统。