CN110104102A - 自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法 - Google Patents

自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，以车辆的车架(1)横滚角、车把(2)相对车架(1)的转角以及车身的转动惯量等获取前车轮(3)第一质心平移速度，再借助第一质心平移速度计算第一定点平移速度，继而获取第二定点平移速度，进而获取前车轮(3)的第二质心平移速度，前车轮(3)两个质心平移速度加权叠加后再结合前车轮(3)相对车架(1)角速度进行滑移率的计算，上述方案的优点在于滑移率的计算既考虑了各检测数据，也考虑了车辆自身重量、质心位置、尺寸大小等，提高了滑移率计算的准确度，而且前车轮(3)的质心平移速度结合考虑了车辆质心平移速度以及陀螺仪标定点平移速度，进一步提高了滑移率的准确度。

Description

自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法
技术领域
本发明涉及自平衡自行车技术领域，具体涉及自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法。
背景技术
自平衡自行车以内置的陀螺仪、编码器等检测车身姿态，再通过高速运行的中央微处理器计算出适当指令，驱动电机带动车身运行，实现自动平衡。
当车轮发生牵引力或者制动力时，车轮与地面之间会产生相对运动。滑移率则是指车轮运动过程中的滑动成分所占的比例。滑移率是表征车轮是否打滑的量化参数之一，也是车体进行主动控制决策的重要参考因素。
现有技术中，通常是利用路面附着系数来估计纵向滑移率，其缺点在于考虑当前的行驶路面情况，而路况通常较为复杂，如平坦、崎岖、多山石路、多泥等因素，都会影响路面附着系数的计算，导致纵向滑移率的估计产生偏差。现有技术也有对该估计方法进行改进，例如借助传感器的检测数据直接运算，但仍存在准确度低的问题，因为滑移率不仅跟陀螺仪、编码器等的检测数据有关，还跟自身的结构设置、尺寸参数等有关，应当多因素结合考虑，以提高估计纵向滑移状态的准确性。
发明内容
本发明提供自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，解决现有技术中估计平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的准确度低的问题。
本发明通过以下技术方案解决技术问题：
自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，包括如下步骤：
(1)利用k时刻下所述自平衡自行车的车架横滚角、所述自平衡自行车的车架角速度、所述自平衡自行车的车把相对车架的转角以及所述自平衡自行车的转动惯量计算所述自平衡自行车的前车轮质心平移速度，得到前车轮第一质心平移速度，其中，k≥1；
(2)利用k时刻下的所述第一质心平移速度以及所述车架角速度计算安装在所述自平衡自行车车架上的陀螺仪的第一标定点平移速度；以k-1时刻下的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪的第二标定点平移速度；再利用所述陀螺仪的第二标定点平移速度以及k时刻下车架角速度计算得到前车轮的第二质心平移速度；
(3)所述前车轮的第一质心平移速度与第二质心平移速度经滤波加权求和，得到前车轮质心平移速度；
(4)利用步骤的前车轮质心平移速度以及前车轮相对车架角速度计算出滑移率。
进一步地，步骤(1)中，k时刻下：
1)通过所述自平衡自行车的瞬心、所述自平衡自行车的质心、所述前车轮的质心平移速度的方向以及后车轮质心平移速度的方向构建2个直角三角形，利用正弦定理以及所述车把相对车架的转角计算所述自平衡自行车的转弯半径；
2)将所述转弯半径、车架横滚角，以及所述自平衡自行车的转动惯量、重量、质心距离地面的高度代入二阶动态响应数学模型，得到所述自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量；
3)利用所述车架横滚角以及所述自平衡自行车质心距离大地的高度计算出y轴的平移速度分量；
4)利用所述x轴的平移速度分量和y轴的平移速度分量计算所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度；
5)利用所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度以及车架角速度计算出第一质心平移速度。
进一步地，步骤2)中，所述自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量为式中，r1(k)为k时刻下所述自平衡自行车的转弯半径，Jc(k)为k时刻下所述自平衡自行车的转动惯量，q2(k)为k时刻下车架横滚角，m为所述自平衡自行车的重量，g为重力加速度，h为所述自平衡自行车质心与地面的距离；
步骤3)中，所述自平衡自行车质心在大地坐标系下y轴的平移速度分量为式中，为q2(k)的一阶导。
进一步地，步骤4)中，自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度
步骤5)中，所述第一质心平移速度为：
v′B3c(k)＝vmc(k)+ωB1(k)×lac，式中，ωB1(k)为k时刻下的车架角速度，lac为所述自平衡自行车的质心与前车轮质心的距离矢量。
进一步地，步骤(2)中，k时刻下，根据所述第一质心平移速度、车架角速度以及所述陀螺仪标定点与前车轮质心的距离矢量计算出所述陀螺仪的第一标定点平移速度；以k-1时刻下的陀螺仪的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪的第二标定点平移速度；再利用所述陀螺仪的第二标定点平移速度、k时刻下车架角速度以及所述陀螺仪与前车轮的距离矢量计算得到前车轮的第二质心平移速度。
进一步地，步骤(2)中：
k时刻下第一标定点平移速度为：v′GRY(k)＝v′B3c(k)+ωB1(k)×lcb，式中，式中，lcb为前车轮的质心与陀螺仪标定点之间的距离矢量。
k-1时刻下第一标定点平移速度为：v′GRY(k-1)＝v′B3c(k-1)+ωB1(k-1)×lcb；
k时刻下第二标定点平移速度为：式中，ax(k-1)为k-1时刻下车架在大地坐标系下x轴方向的线加速度；
第二质心平移速度为：v″B3c(k)＝vGRY(k)+ωB1(k)×lcb。
进一步地，步骤(3)中，前车轮质心平移速度为vB3c(k)＝αv′B3c(k)+(1-α)v″B3c(k)，式中，α滤波加权系数。
进一步地，步骤(4)中，滑移率为：式中，r为前车轮半径，为k时刻下前车轮相对车架角速度。
与现有技术相比，具有如下特点：
以车辆的车架横滚角、车架角速度、车把相对车架的转角以及所述自平衡自行车的转动惯量获取前车轮第一质心平移速度，以第一质心平移速度以及车架角速度计算第一定点平移速度，再通过车架线速度积分运算获取第二定点平移速度，进而获取前车轮的第二质心平移速度，前车轮两个质心平移速度加权叠加后再结合前车轮相对车架角速度进行滑移率的计算，上述方案的优点在于滑移率的计算既考虑了各检测数据，也考虑了车辆自身的因素，如重量、质心位置、尺寸大小等，提高了滑移率计算的准确度，而且前车轮的质心平移速度结合考虑了车辆质心平移速度以及陀螺仪标定点平移速度，进一步提高了滑移率的准确度。
附图说明
图1为本发明纵向滑移状态的估计方法的流程图。
图中标号为：1、车架；2、车把；3、前车轮；4、后车轮；5、陀螺仪。
图2为自平衡自行车的机械结构图。
图3为瞬时运动状态下构建的2个直角三角形。
图4为自平衡自行车滑移前后自行车质心的A方向视图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
自平衡自行车的机械结构图如图2所示，包括车架1、车把2、前车轮3、后车轮4以及安装在车架1上的陀螺仪5。在图2中，vB4c为后车轮4的质心平移速度、m为车身重量、h为车身的质心距离地面的高度、a为车身质心所在位置、vmc为车身的质心平移速度、c为前车轮3质心所在位置、r为前车轮3的半径、为前车轮3相对车架1的角速度、vB3c为前车轮3的质心平移速度、为车把2相对于车架1的角速度、b为陀螺仪5的标定点所在位置、vGRY为陀螺仪5的标定点平移速度。在图3中，o为自行车运行时的瞬心，通过瞬心o做垂直于水平面的方向垂线，d为垂线与vB4c的交点，通过瞬心o做垂直于vB3c方向的垂线，e为该垂线与vB3c的交点，通过o、d、a、e点可构建2个直角三角形，分别为Δoda和Δode，q4为车把2相对于车架1的转角，vmcx为自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量。在图4中，mg为车身的重力，an为转弯时车身的质心做圆周运动时的切向加速度。本发明所涉及的所有角速度均可通过设置增量式编码器测得，所有转角均可通过设置绝对式编码器测得。
自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，包括如下步骤：
(1)利用k时刻下所述自平衡自行车的车架1横滚角、所述自平衡自行车的车架1角速度、所述自平衡自行车的车把2相对车架1的转角以及所述自平衡自行车的转动惯量计算所述自平衡自行车的前车轮3质心平移速度，得到前车轮3第一质心平移速度，其中，k≥1；
(2)利用k时刻下的所述第一质心平移速度以及所述车架1角速度计算安装在所述自平衡自行车车架1上的陀螺仪5的第一标定点平移速度；以k-1时刻下的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架1在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪5的第二标定点平移速度；再利用所述陀螺仪5的第二标定点平移速度以及k时刻下车架1角速度计算得到前车轮3的第二质心平移速度；
(3)所述前车轮3的第一质心平移速度与第二质心平移速度经滤波加权求和，得到前车轮3质心平移速度；
(4)利用步骤(3)的前车轮3质心平移速度以及前车轮3相对车架1角速度计算出滑移率。
步骤(1)中，k时刻下：
1)通过所述自平衡自行车的瞬心、所述自平衡自行车的质心、所述前车轮3的质心以及后车轮4质心平移速度的方向构建2个直角三角形，利用正弦定理以及所述车把2相对车架1的转角计算所述自平衡自行车的转弯半径；
2)将所述转弯半径、车架1横滚角，以及所述自平衡自行车的转动惯量、重量、质心距离地面的高度代入二阶动态响应数学模型，得到所述自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量；
3)利用所述车架1横滚角以及所述自平衡自行车质心距离大地的高度计算出y轴的平移速度分量；
4)利用所述x轴的平移速度分量和y轴的平移速度分量计算所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度；
5)利用所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度以及车架(1)角速度计算出第一质心平移速度。
关于第一质心平移速度的计算，具体实现为：
1)转弯半径的计算
根据图3构建出的两个直角三角形Δoda和Δode，利用正弦定理可得k时刻下所述自平衡自行车的转弯半径为式中，lod(k)为k时刻下瞬心o到d点的距离，lda(k)为k时刻下d点车身质心a的距离，led(k)为k时刻下d点到e点的距离。q4(k)为k时刻下车把2相对于车架1的转角。
2)自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量vmcx的计算
二阶动态响应数学模型的表达式为：根据图3可知，自平衡自行车在转弯时，其质心相当于以转弯半径r1做圆周运动，而该圆周的切向加速度为：
联立二阶动态响应数学模型的表达式以及圆周的切向加速度的表达式，可以得到k时刻下的二阶动态响应数学模型表达式为：
因此可得到自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量其中Jc(k)为k时刻下车身的转动惯量，q2(k)为k时刻下车架1横滚角，为q2(k)的二阶导，sin(q2(k))为q2(k)的正弦值，cos(q2(k))为q2(k)的余弦值。
3)车身的质心距离地面的高度h，且倾向倾倒的速度为而q2(k)角度较小，车身相当于绕着接地点做半径为h、角速度为的圆周运动，因此可得到自平衡自行车质心在大地坐标系下y轴的平移速度分量式中，为q2(k)的一阶导，而q2(k)为k时刻下车架1横滚角。
4)自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度为：
5)由于k时刻下前车轮3的质心是车架1上的一点，根据刚体平面运动的基点法可求得第一质心平移速度为v′B3c(k)＝vmc(k)+ωB1(k)×lac，ωB1(k)为k时刻下的车架1角速度，lac为所述自平衡自行车的质心与前车轮3质心的距离矢量。
步骤(2)中，由于k时刻下陀螺仪5标定点是车架1上的一点，根据刚体平面运动的基点法可求得第k时刻的陀螺仪5的第一标定点平移速度v′GRY(k)，具体公式为：
v′GRY(k)＝v′B3c(k)+ωB1(k)×lcb，式中lcb为前车轮3的质心与陀螺仪5标定点之间的距离矢量。
k-1时刻下的第一标定点平移速度为v′GRY(k-1)＝v′B3c(k-1)+ωB1(k-1)×lcb，以k-1时刻下的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架1在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪5的第二标定点平移速度为ax(k-1)为k-1时刻车架1在大地坐标系下x轴方向的线加速度。
由于前车轮3的质心和陀螺仪5标定点都为车架1上的一点，根据刚体平面运动的基点法可求得k时刻下前车轮3第二质心平移速度v″B3c(k)为v″B3c(k)＝vGRY(k)+ωB1(k)×lcb。
步骤(3)中，前车轮3的质心平移速度为第一质心平移速度和第二质心平移速度的滤波加权之和，即vB3c(k)＝αv′B3c(k)+(1-α)v″B3c(k)，式中，α滤波加权系数。
步骤(4)中，滑移率为式中，r为前车轮3的半径，为k时刻下前车轮3相对车架1角速度。

Claims (8)

1.自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用k时刻下所述自平衡自行车的车架(1)横滚角、所述自平衡自行车的车架(1)角速度、所述自平衡自行车的车把(2)相对车架(1)的转角以及所述自平衡自行车的转动惯量计算所述自平衡自行车的前车轮(3)质心平移速度，得到前车轮(3)第一质心平移速度，其中，k≥1；
(2)利用k时刻下的所述第一质心平移速度以及所述车架(1)角速度计算安装在所述自平衡自行车车架(1)上的陀螺仪(5)的第一标定点平移速度；以k-1时刻下的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架(1)在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪(5)的第二标定点平移速度；再利用所述陀螺仪(5)的第二标定点平移速度以及k时刻下车架(1)角速度计算得到前车轮(3)的第二质心平移速度；
(3)所述前车轮(3)的第一质心平移速度与第二质心平移速度经滤波加权求和，得到前车轮(3)质心平移速度；
(4)利用步骤(3)的前车轮(3)质心平移速度以及前车轮(3)相对车架(1)角速度计算出滑移率。
2.根据权利要求1所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤(1)中，k时刻下：
1)通过所述自平衡自行车的瞬心、所述自平衡自行车的质心、所述前车轮(3)的质心平移速度的方向以及后车轮(4)质心平移速度的方向构建2个直角三角形，利用正弦定理以及所述车把(2)相对车架(1)的转角计算所述自平衡自行车的转弯半径；
2)将所述转弯半径、车架(1)横滚角，以及所述自平衡自行车的转动惯量、重量、质心距离地面的高度代入二阶动态响应数学模型，得到所述自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量；
3)利用所述车架(1)横滚角以及所述自平衡自行车质心距离大地的高度计算出y轴的平移速度分量；
4)利用所述x轴的平移速度分量和y轴的平移速度分量计算所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度；
5)利用所述自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度以及车架(1)角速度计算出第一质心平移速度。
3.根据权利要求2所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤2)中，所述自平衡自行车质心在大地坐标系下x轴的平移速度分量为式中，r1(k)为k时刻下所述自平衡自行车的转弯半径，Jc(k)为k时刻下所述自平衡自行车的转动惯量，q2(k)为k时刻下车架(1)横滚角，m为所述自平衡自行车的重量，g为重力加速度，h为所述自平衡自行车质心与地面的距离；
步骤3)中，所述自平衡自行车质心在大地坐标系下y轴的平移速度分量为式中，为q2(k)的一阶导。
4.根据权利要求3所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤4)中，自平衡自行车质心在大地坐标系下的平移速度
步骤5)中，所述第一质心平移速度为：
v′B3c(k)＝vmc(k)+ωB1(k)×lac，式中，ωB1(k)为k时刻下的车架(1)角速度，lac为所述自平衡自行车的质心与前车轮(3)质心的距离矢量。
5.根据权利要求4所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤(2)中，k时刻下，根据所述第一质心平移速度、车架(1)角速度以及所述陀螺仪(5)标定点与前车轮(3)质心的距离矢量计算出所述陀螺仪(5)的第一标定点平移速度；以k-1时刻下的陀螺仪(5)的第一标定点平移速度为初始值，对k-1时刻所述车架(1)在大地坐标系下x轴方向的线加速度积分，得到k时刻下陀螺仪(5)的第二标定点平移速度；再利用所述陀螺仪(5)的第二标定点平移速度、k时刻下车架(1)角速度以及所述陀螺仪(5)与前车轮(3)的距离矢量计算得到前车轮(3)的第二质心平移速度。
6.根据权利要求5所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤(2)中：
k时刻下第一标定点平移速度为：v′GRY(k)＝v′B3c(k)+ωB1(k)×lcb，式中，式中，lcb为前车轮(3)的质心与陀螺仪(5)标定点之间的距离矢量。
k-1时刻下第一标定点平移速度为：v′GRY(k-1)＝v′B3c(k-1)+ωB1(k-1)×lcb；
k时刻下第二标定点平移速度为：式中，ax(k-1)为k-1时刻下车架(1)在大地坐标系下x轴方向的线加速度；
第二质心平移速度为：v″B3c(k)＝vGRY(k)+ωB1(k)×lcb。
7.根据权利要求6所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤(3)中，前车轮(3)质心平移速度为vB3c(k)＝αv′B3c(k)+(1-α)v″B3c(k)，式中，α滤波加权系数。
8.根据权利要求7所述的自平衡自行车驱动车轮纵向滑移状态的估计方法，其特征在于：
步骤(4)中，滑移率为：式中，r为前车轮(3)半径，为k时刻下前车轮(3)相对车架(1)角速度。
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