CN109911087B - 一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法 - Google Patents

一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法 Download PDF

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徐瀚
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Abstract

本发明公开了一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法，该平衡车包括防爆车轮，驱动轮毂电机，电池，平衡控制器，机身；所述驱动轮毂电机的一侧与防爆车轮连接，另一侧与机身连接；所述电池与平衡控制器均固定安装在机身上；所述平衡控制器包括调节电路，所述调节电路的输入端与电池连接，输出端与驱动轮毂电机连接；所述平衡控制器可以根据可根据车辆行驶路况和自身运动状态实时调整车辆姿态。本发明使得车辆能够很好适应外界环境的急剧变化，进一步提升车辆乘坐舒适性，和操纵稳定性，能够适用于各类场所，适合于军用和民用。

Description

一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法
技术领域
本发明属于平衡车技术领域，尤其涉及一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法。
背景技术
目前，传统平衡车都为充气橡胶轮胎，且多为小载荷、便携式的代步工具，在面对复杂多变的颠簸路面和高温恶劣天气时，很难保证车辆行驶的安全性和舒适性，容易发生爆胎、扎破等恶劣的安全问题，给乘客的生命财产带来严重威胁，而且承载重量低，作业效率低，无法再山地野外等场所作业。
发明内容
发明目的：为解决上述充气橡胶轮胎容易发生爆胎和在颠簸路面上很难保证车辆行驶的安全性的问题，本发明提供一种两轮防爆电动平衡车及其平衡控制方法。
技术方案：本发明提供一种两轮防爆电动平衡车，包括防爆车轮，驱动轮毂电机，电池，平衡控制器及机身；所述驱动轮毂电机的一侧与防爆车轮连接，另一侧与机身连接；所述电池与平衡控制器均固定安装在机身上；
所述平衡控制器包括调节电路、陀螺仪、A/D信号转换器以及控制单元，所述陀螺仪与A/D信号转换器的一端连接，所述A/D信号转换器的另外一端与控制单元连接；所述控制单元与调节电路连接，所述调节电路的输入端与电池连接，输出端与驱动轮毂电机连接；
所述陀螺仪采集平衡车运动过程中的机身等效质量偏离垂线的角度，并由A/D信号转换器转换为数字信号后，传送至控制单元；当陀螺仪检测到的角度大于0时，控制单元根据接收到的数字信号和保证机身不偏离中心垂线的平衡条件，计算得到为维持平衡车平衡防爆车轮所需要的车轮加速度
Figure BDA0001987840720000011
根据车轮加速度
Figure BDA0001987840720000012
计算得到驱动轮毂电机所需要的电流的大小和方向，控制单元控制调节电路调节电池输出的电流大小和方向，使得电池提供给轮毂电机的电流大小与方向与驱动轮毂电机所需要的电流大小与方向一致；由驱动轮毂电机改变防爆车轮的车轮加速度，使防爆车轮的车轮加速度达到
Figure BDA0001987840720000013
进一步的，所述防爆车轮包括胎圈、铰链组和轮毂，所述铰链组的外侧链接胎圈的内侧，铰链组的内侧与轮毂链接。
进一步的，其特征在于，所述胎圈的内部由弹性环组成，表面由柔性材料包裹。
进一步的，所述驱动轮毂电机为内定子外转子式电机，驱动轮毂电机的内部定子通过刚性连接的方式和机身固结在一起，外部转子则与防爆车轮刚性连接。
进一步的，所述机身由高分子纳米材料制成。
进一步的，所述调节电路包括第一、二、三电阻和电位器，第一、二电阻的一端均与电池的正极连接，第三电阻、电位器一端均与电池的负极连接，第一、二电阻的另外一端与驱动轮毂电机的一端连接；第三电阻、电位器的另一端与驱动轮毂电机的另一端端连接，电位器的调节端与控制单元连接。
一种两轮防爆电动平衡车的平衡控制方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：利用陀螺仪采集机身等效质量偏离垂线的角度，并传送至A/D信号转换器，由A/D信号转换器将该角度转换成数字信号，传送至控制单元；
步骤2：当陀螺仪采集到的机身等效质量偏离垂线的角度大于0时，所述控制单元根据检测到的机身等效质量偏离垂线的角度和保证机身不偏离中心垂线的平衡条件计算得到描述平衡车状态方程；并根据状态方程和状态负反馈控制，计算得到为保持平衡车平衡防爆车轮所需要的车轮加速度
Figure BDA0001987840720000021
步骤3：得到轮毂电机的输出转矩M，
Figure BDA0001987840720000022
其中Iz为车轮转动惯量；
步骤4：根据电机特性的MAP图，找到驱动轮毂电机的输出转矩为M时对应的电流的大小I；
步骤5：控制单元控制调节电路，使调节电路输出的电流大小为I，并且控制单元根据车轮加速度
Figure BDA0001987840720000023
调节电池输出的电流的方向；从而使电池提供给轮毂电机的电流大小与方向与驱动轮毂电机所需要的电流大小与方向一致；
步骤6：通过改变提供给驱动轮毂电机电流的大小与方向，使防爆车轮的车轮加速度达到
Figure BDA0001987840720000026
保证平衡车的平衡。
进一步的，所述步骤2的具体方法为：
步骤2.1：计算机身等效质量在x轴方向上的运动后的位移，具体的计算公式如公式1所示：
Figure BDA0001987840720000024
其中δ为驱动轮毂电机对平衡车的作用位移；L为防爆车轮转动的节点到等效质量的距离；
Figure BDA0001987840720000025
为机身等效质量偏离垂线的角度；
根据小角度变化式，进一步得到公式2：
Figure BDA0001987840720000031
通过保证机身不偏离中心垂线的平衡条件和车轮对机身作用力F，得到车轮对机身的作用力F在x轴方向和y轴方向上的表达式，如公式3所示：
Figure BDA0001987840720000032
其中m为机身等效质量,
Figure BDA0001987840720000033
为x的二阶导数，g为重力加速度；
将公式2代入至公式3中得到公式4：
Figure BDA0001987840720000034
并将公式2、3代入公式4中得到公式5：
Figure BDA0001987840720000035
其中
Figure BDA0001987840720000036
为角度
Figure BDA0001987840720000037
的二阶导数，
Figure BDA0001987840720000038
为δ的二阶导数，即保持平衡车平衡所需要的车轮加速度；
根据公式5得到描述平衡车的动态方程，如公式6所示：
Figure BDA0001987840720000039
对公式6进行空间状态描述，得到描述平衡车的状态方程，如公式7所示：
Figure BDA00019878407200000310
其中
Figure BDA00019878407200000311
x2为车轮的角速度，
Figure BDA00019878407200000312
μ为控制量，μ与车轮加速
Figure BDA00019878407200000313
的关系为：
Figure BDA00019878407200000314
Figure BDA00019878407200000315
步骤2.2：引入状态负反馈控制，得到控制量μ的表达式，如公式8所示：
Figure BDA00019878407200000316
其中，[k1 k2]为反馈增益矩阵；
将公式8代入至公式7中，得到公式9：
Figure BDA00019878407200000317
利用线性控制理论，配置公式9的极点为-1，-1，求解得到k1、k2的值：
Figure BDA0001987840720000041
将公式10代入公式8，得到控制量μ：
Figure BDA0001987840720000042
根据公式
Figure BDA0001987840720000043
得到车轮加速度
Figure BDA0001987840720000044
的表达式为：
Figure BDA0001987840720000045
有益效果：本发明的电动平衡车轮属于不充气安全车轮范畴，抛弃了传统轮胎的内胎结构，采用胎圈和铰链组结构，提高车辆承载能力，避免了漏气、爆胎的危险；同时使用轮毂电机直接驱动技术，配合平衡控制器，可根据车辆行驶路况和自身运动状态实时调整车辆姿态，使得车辆能够很好适应外界环境的急剧变化，进一步提升车辆乘坐舒适性，和操纵稳定性，能够适用于各类场所，适合于军用和民用。
附图说明
图1为本发明的结构简图；
图2为防爆车轮结构简图；
图3为两轮防爆电动平衡车工作原理图；
图4为本发明的调节电路图；
图5为本发明简化后的平衡车模型。
附图标记说明：1、机身；2、防爆车轮；3、轮毂电机；4电池+平衡控制器；5、胎圈；6、铰链组；7、轮毂。
具体实施方式
构成本发明的一部分的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。
如图1所示，本发明公开了一种两轮防爆电动平衡车，该平衡车包括防爆车轮，驱动轮毂电机，电池，平衡控制器，机身。驱动轮毂电机的一侧与防爆车轮连接，另一侧与机身连接；所述电池与平衡控制器均固定安装在机身上。
所述轮毂电机为内定子外转子式电机，内部定子通过螺栓等刚性连接方式和所述防爆电动平衡车机身固结在一起，外部转子则与所述防爆车轮刚性连接，轮毂电机通过电池供电驱动，从而带动防爆车轮转动。
如图2所示，防爆车轮由胎圈、铰链组和轮毂组成，胎圈表面由橡胶等柔性材料包裹，内部由弹性环组成，铰链组链接胎圈和内部轮毂，车辆运动中通过胎圈和铰链组不断衰减路面振动激励，独特的结构使得车辆不怕扎破刺破。
如图3所示，平衡控制器根据车辆行驶路况和自身运动状态实时调整车辆姿态，使得车辆能够很好适应外界环境的急剧变化，进一步提升车辆乘坐舒适性，和操纵稳定性。
所述平衡控制器包括检测机身偏离垂线角度的陀螺仪、检测车轮加速度的加速度传感器，检测机身偏离平衡位置时角速度信息的角速度传感器、A/D信号转换器、调节电路以及控制单元；A/D信号转换器将各传感器检测到的机身等效质量偏离垂线的角度，加速度信息以及角速度信息转化成数字信号传送给控制单元，控制单元与调节电路连接。所述加速度传感器用于检测调节后的车轮加速度是否已经达到
Figure BDA0001987840720000051
如图4所示所述调节电路包括第一、二、三电阻R1、R2、R3和电位器Rf，第一、二电阻的一端均与电池的正极连接，第三电阻、电位器一端均与电池的负极连接，第一、二电阻的另外一端与驱动轮毂电机的一端连接；第三电阻、电位器的另一端与驱动轮毂电机的另一端端连接，电位器的调节端与控制单元连接，控制单元通过调节电位器的电阻调节调节电路输出的电流的大小；
本实施例中具体平衡车平衡控制方法为：在平衡车运动过程中，利用陀螺仪采集机身等效质量偏离垂线的角度，并传送至A/D信号转换器，由A/D信号转换器将该角度转换成数字信号，传送至控制单元；当陀螺仪采集到的机身等效质量偏离垂线的角度大于0时，所述控制单元根据检测到的机身等效质量偏离垂线的角度和保证机身不偏离中心垂线的平衡条件计算得到描述平衡车状态方程；并根据状态方程和状态负反馈控制，计算得到为保持平衡车平衡防爆车轮所需要的车轮加速度
Figure BDA0001987840720000052
因此得到轮毂电机的输出转矩M；根据电机特性的MAP图，找到驱动轮毂电机的输出转矩为M时对应的电流的大小I；
控制单元控制调节电路，使调节电路输出的电流大小为I，并且控制单元根据车轮加速度
Figure BDA0001987840720000061
调节电池输出的电流的方向；从而使电池提供给轮毂电机的电流大小与方向与驱动轮毂电机所需要的电流大小与方向一致；最后通过改变提供给驱动轮毂电机电流的大小与方向，使防爆车轮的车轮加速度达到
Figure BDA0001987840720000062
保证平衡车的平衡。
本实施例中轮毂电机单独驱动车轮运动，更利于车辆的操纵稳定和转向轻便；而且本实施例通过采用胎圈配合铰链组式的防爆车轮结构，使得车辆承载能力和安全性都得到了提高。
本实施中具体得到车轮加速度
Figure BDA0001987840720000063
和轮毂电机的输出转矩M的方法为：根据图5所示的简化后的平衡车模型，可以得到计算机身等效质量在x轴方向上的运动后的位移，具体的计算公式如公式13所示：
Figure BDA0001987840720000064
其中δ为驱动轮毂电机对平衡车的作用位移；L为防爆车轮转动的节点到等效质量的距离；
Figure BDA0001987840720000065
为机身等效质量偏离垂线的角度；
根据小角度变化式，进一步得到公式14：
Figure BDA0001987840720000066
通过保证机身不偏离中心垂线的平衡条件和车轮对机身作用力F，可以得到车轮对机身的作用力F在x轴方向和y轴方向上的表达式，如公式15所示：
Figure BDA0001987840720000067
其中m为机身等效质量,
Figure BDA0001987840720000068
为x的二阶导数，g为重力加速度。
将公式14代入至公式15中得到公式16：
Figure BDA0001987840720000069
并将公式14、15代入公式16中得到公式17：
Figure BDA00019878407200000610
其中
Figure BDA00019878407200000611
为角度
Figure BDA00019878407200000612
的二阶导数，
Figure BDA00019878407200000613
为δ的二阶导数，即保持平衡车平衡所需要的车轮加速度；
根据公式17得到描述平衡车的动态方程，如公式18所示：
Figure BDA00019878407200000614
对公式18进行空间状态描述，得到描述平衡车的状态方程，如公式19所示：
Figure BDA0001987840720000071
其中
Figure BDA0001987840720000072
x2为车轮的角速度，
Figure BDA0001987840720000073
μ为控制量，μ与车轮加速
Figure BDA0001987840720000074
的关系为：
Figure BDA0001987840720000075
Figure BDA0001987840720000076
引入状态负反馈控制，也即是平衡车控制器通过车辆状态来决定控制量，如公式20所示：
Figure BDA0001987840720000077
其中，[k1 k2]为反馈增益矩阵；
将公式20代入至公式19中，得到公式21：
Figure BDA0001987840720000078
利用线性控制理论，配置公式21的极点为-1，-1，求解得到k1、k2的值：
Figure BDA0001987840720000079
将公式22代入公式20，得到控制量μ：
Figure BDA00019878407200000710
根据公式
Figure BDA00019878407200000711
得到车轮加速度
Figure BDA00019878407200000712
的表达式为：
Figure BDA00019878407200000713
根据车轮加速度
Figure BDA00019878407200000714
计算得到轮毂电机的输出转矩M，M的表达式如公式25所示：
Figure BDA00019878407200000715
其中：Iz为车轮转动惯量；
根据驱动轮毂电机特性的MAP图找到驱动轮毂电机的输出转矩为M时对应电流的大小。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的包括轮毂电机选配、电池与平衡控制器布置方式在内的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种两轮防爆电动平衡车的平衡控制方法；一种两轮防爆电动平衡车，包括防爆车轮，驱动轮毂电机，电池，平衡控制器及机身；所述驱动轮毂电机的一侧与防爆车轮连接，另一侧与机身连接；所述电池与平衡控制器均固定安装在机身上；所述平衡控制器包括调节电路、陀螺仪、A/D信号转换器以及控制单元，所述陀螺仪与A/D信号转换器的一端连接，所述A/D信号转换器的另外一端与控制单元连接；所述控制单元与调节电路连接，所述调节电路的输入端与电池连接，输出端与驱动轮毂电机连接；所述陀螺仪采集平衡车运动过程中的机身等效质量偏离垂线的角度，并由A/D信号转换器转换为数字信号后，传送至控制单元；当陀螺仪检测到的角度大于0时，控制单元根据接收到的数字信号和保证机身不偏离中心垂线的平衡条件，计算得到为维持平衡车平衡防爆车轮所需要的车轮加速度
Figure FDA0002438162110000011
根据车轮加速度
Figure FDA0002438162110000012
计算得到驱动轮毂电机所需要的电流的大小和方向，控制单元控制调节电路调节电池输出的电流大小和方向，使得电池提供给轮毂电机的电流大小与方向与驱动轮毂电机所需要的电流大小与方向一致；由驱动轮毂电机改变防爆车轮的车轮加速度，使防爆车轮的车轮加速度达到
Figure FDA0002438162110000013
其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：用陀螺仪采集机身等效质量偏离垂线的角度，并传送至A/D信号转换器，由A/D信号转换器将该角度转换成数字信号，传送至控制单元；
步骤2：当陀螺仪采集到的机身等效质量偏离垂线的角度大于0时，所述控制单元根据检测到的机身等效质量偏离垂线的角度和保证机身不偏离中心垂线的平衡条件计算得到描述平衡车状态方程；并根据状态方程和状态负反馈控制，计算得到为保持平衡车平衡防爆车轮所需要的车轮加速度
Figure FDA0002438162110000014
步骤3：得到轮毂电机的输出转矩M，
Figure FDA0002438162110000015
其中Iz为车轮转动惯量；
步骤4：根据电机特性的MAP图，找到驱动轮毂电机的输出转矩为M时对应的电流的大小I；
步骤5：控制单元控制调节电路，使调节电路输出的电流大小为I，并且控制单元根据车轮加速度
Figure FDA0002438162110000016
调节电池输出的电流的方向；从而使电池提供给轮毂电机的电流大小与方向与驱动轮毂电机所需要的电流大小与方向一致；
步骤6：通过改变提供给驱动轮毂电机电流的大小与方向，使防爆车轮的车轮加速度达到
Figure FDA0002438162110000021
保证平衡车的平衡；
所述步骤2的具体方法为：
步骤2.1：计算机身等效质量在x轴方向上的运动后的位移，具体的计算公式如公式1所示：
Figure FDA0002438162110000022
其中δ为驱动轮毂电机对平衡车的作用位移；L为防爆车轮转动的节点到等效质量的距离；
Figure FDA0002438162110000023
为机身等效质量偏离垂线的角度；
根据小角度变化式，进一步得到公式2：
Figure FDA0002438162110000024
通过保证机身不偏离中心垂线的平衡条件和车轮对机身作用力F，得到车轮对机身的作用力F在x轴方向和y轴方向上的表达式，如公式3所示：
Figure FDA0002438162110000025
其中m为机身等效质量,
Figure FDA0002438162110000026
为x的二阶导数，g为重力加速度；
将公式2代入至公式3中得到公式4：
Figure FDA0002438162110000027
并将公式2、3代入公式4中得到公式5：
Figure FDA0002438162110000028
其中
Figure FDA0002438162110000029
为角度
Figure FDA00024381621100000210
的二阶导数，
Figure FDA00024381621100000211
为δ的二阶导数，即保持平衡车平衡所需要的车轮加速度；
根据公式5得到描述平衡车的动态方程，如公式6所示：
Figure FDA00024381621100000212
对公式6进行空间状态描述，得到描述平衡车的状态方程，如公式7所示：
Figure FDA00024381621100000213
其中
Figure FDA00024381621100000214
x2为车轮的角速度，
Figure FDA00024381621100000215
μ为控制量，μ与车轮加速
Figure FDA00024381621100000216
的关系为：
Figure FDA00024381621100000217
Figure FDA00024381621100000218
步骤2.2：引入状态负反馈控制，得到控制量μ的表达式，如公式8所示：
Figure FDA0002438162110000031
其中，[k1k2]为反馈增益矩阵；
将公式8代入至公式7中，得到公式9：
Figure FDA0002438162110000032
利用线性控制理论，配置公式9的极点为-1，-1，求解得到k1、k2的值：
Figure FDA0002438162110000033
将公式10代入公式8，得到控制量μ：
Figure FDA0002438162110000034
根据公式
Figure FDA0002438162110000035
得到车轮加速度
Figure FDA0002438162110000036
的表达式为：
Figure FDA0002438162110000037
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