CN110281780A - 一种平衡车状态检测方法、控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡车状态检测方法、控制方法及装置，该检测方法包括以下步骤：读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据姿态数据以及加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1；对加速度a1进行一阶差分处理得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)；将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)；根据序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下。该检测方法通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，鲁棒性好，确保用户安全。
Description
技术领域
本发明涉及智能平衡车控制技术领域，尤其涉及一种平衡车状态检测方法、控制方法及装置。
背景技术
传统的两轮平衡车使用车身应力检测模块，检测到车辆提起时，控制器则会控制电机停止运转，从而防止轮子飞转危及人身安全。但是该检测方式对车身结构和材质要求较高，同时对安装要求较为严格，若车身结构的形变不能满足要求或安装存在偏差则该检测功能存在失效的风险。此外，该检测方式长使用时间后，结构应力漂移、橡胶老化等现象也存在安全隐患。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种平衡车状态检测方法，其通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
本发明的目的之二在于提供一种平衡车控制方法，其通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，从而控制电机的启停；对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
本发明的目的之三在于提供一种平衡车，其通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，从而控制电机的启停；对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
本发明的目的之四在于提供一种电子设备，其通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
本发明的目的之五在于提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中的程序运行时能实现通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，从而控制电机的启停；对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种平衡车状态检测方法，包括以下步骤：
读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；
根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1，所述加速度a1＝cos(Alp)*sqrt(AccX*AccX+AccY*Accy)；
对所述加速度a1进行一阶差分处理得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)，N为正整数；
将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)，M为正整数；
根据所述序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下，其中，当序列y(m)的峰值超过阈值A1且峰峰时间间隔超过阈值B1，同时过零率少于C1，则判定为提起状态；当序列y(m)的峰值超过阈值A2，且峰峰时间间隔少于B2，同时序列过零率超过C2，则判定为放下状态。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种平衡车控制方法，包括以下步骤：
读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；
根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1，所述加速度a1＝cos(Alp)*sqrt(AccX*AccX+AccY*Accy)；
对所述加速度a1进行一阶差分处理得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)，N为正整数；
将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)，M为正整数；
根据所述序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下，其中，当序列y(m)的峰值超过阈值A1且峰峰时间间隔超过阈值B1，同时过零率少于C1，则判定为被提起状态；当序列y(m)的峰值超过阈值A2，且峰峰时间间隔少于B2，同时序列过零率超过C2，则判定为被放下状态；
当判定所述平衡车处于被提起状态时，则控制电机停止转动；当判定所述平衡车处于被放下状态时，则控制电机重新启动。
进一步地，所述根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度具体为：通过互补滤波算法对所述姿态数据以及所述加速度计的示数进行融合得到俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度。
进一步地，在根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度之前还包括步骤：对所述姿态数据进行低通滤波处理。
进一步地，在使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)之前还包括步骤：对所得到的结果值进行低通滤波处理。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种平衡车，包括：控制器、陀螺仪姿态模块、电机、电池以及车体；所述陀螺仪姿态模块包括陀螺仪和加速度计，所述控制器、所述陀螺仪姿态模块、所述电机以及所述电池安装在所述车体上；所述控制器分别与所述陀螺仪姿态模块、所述电机、所述电池连接；所述控制器可实现如上所述的平衡车控制方法。
进一步地，所述电机采用正弦波驱动电机。
进一步地，所述陀螺仪姿态模块采用LSM6DS3芯片。
本发明的目的之四采用如下技术方案实现：
一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器的计算机程序并运行以实现如上所述的平衡车状态检测方法或者如上所述的平衡车控制方法。
本发明的目的之五采用如下技术方案实现：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如上所述的平衡车状态检测方法或者如上所述的平衡车控制方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
该平衡车状态检测方法利用陀螺仪的姿态检测技术，通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
附图说明
图1为本发明提供的一种平衡车控制方法的流程示意图；
图2为本发明提供的特征信号序列y(m)的波形示意图，图中第一个峰为检测到提起车辆，第二个峰为检测到放下车辆。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
请参阅图1和图2，其为一种平衡车控制方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1、读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；具体地，每隔5ms就通过SPI读取LSM6DS3中地址为0x22的6轴姿态数据，各寄存器输出如下：
S2、根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1，所述加速度a1＝cos(Alp)*sqrt(AccX*AccX+AccY*Accy)；其中，姿态角Alp通过俯仰角、滚转角、航偏角来表示，X轴加速度AccX和Y轴加速度AccY从加速度计获取；
S3、根据所述加速度a1计算特征数据，计算过程为：对所述加速度a1进行一阶差分处理，剔除数据中固有的G值成分，得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)，N为正整数；由于平衡车被提起或者被放下属于瞬间的动作，时间较短，只需检测1秒左右的姿态数据即可，因此采用窗函数来对序列x(n)进行处理，采用先入先出递推窗口，只保留当前1秒左右的数据；
S4、从特征数据中提取特征信号，具体为：将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)，M为正整数；此处同样是通过先入先出递推窗口来处理，只保留当前1秒左右的数据；
S5、根据所述序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下，其中，当序列y(m)的峰值超过阈值A1且峰峰时间间隔超过阈值B1(峰峰时间间隔指两个波峰之间的时间间隔)，同时过零率少于C1，则判定为被提起状态；当序列y(m)的峰值超过阈值A2，且峰峰时间间隔少于B2(峰峰时间间隔指两个波峰之间的时间间隔)，同时序列过零率超过C2，则判定为被放下状态；上述各个数值的取值根据数据统计正常情况下平衡车被提起或者放下时所满足的姿态数据来设定，具体地，峰值A1＝1500，峰峰间隔B1＝80ms，过零率C1＝4，峰值A2＝1000，峰峰间隔B2＝60ms，过零率C2＝6；
S6、当判定所述平衡车处于被提起状态时，则控制电机停止转动；当判定所述平衡车处于被放下状态时，则控制电机重新启动。
该平衡车控制方法利用陀螺仪的姿态检测技术，通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，从而控制电机的启停，达到提车即停的功能，并且，在放下车辆时可以重新启动电机，使得平衡车进入自平衡状态，便于用户使用。该方法对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
该方法每5ms就读取一次数据并计算姿态数据，然后判断平衡车的状态，达到持续地判断平衡车是否被提起或者被放下的目的。
作为一种优选的实施方式，所述根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度具体为：通过互补滤波算法对所述姿态数据以及所述加速度计的示数进行融合得到俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度。加速度计得到的读数较为准确但对变化反应较慢，陀螺仪得到的数据是角速度，对其积分可得到角度，但存在积分误差，这里使用互补滤波算法对两者的数据进行融合得到最终的姿态数据。具体可参考百度文库中的文档《加速度计和陀螺仪融合一阶互补滤波、二阶互补滤波、卡尔曼滤波核心程序》(https://wenku.baidu.com/view/6e6df6c482d049649b6648d7c1c708a1284a0aec.html？rec_flag＝default&sxts＝1556271869898)。
作为一种优选的实施方式，在根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度之前还包括步骤：对所述姿态数据进行低通滤波处理。通过低通滤波的方式滤除高频干扰。
同样地，在使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)之前还包括步骤：对所得到的结果值进行低通滤波处理。
本发明还提供了一种平衡车，包括：控制器、陀螺仪姿态模块、电机、电池以及车体；所述陀螺仪姿态模块包括陀螺仪和加速度计，所述控制器、所述陀螺仪姿态模块、所述电机以及所述电池安装在所述车体上；所述控制器分别与所述陀螺仪姿态模块、所述电机、所述电池连接；所述控制器可实现如上所述的平衡车控制方法。
该平衡车利用陀螺仪的姿态检测技术，通过计算车辆姿态变化来检测平衡车是否被提起或者放下，从而控制电机的启停，达到提车即停的功能，并且，在放下车辆时可以重新启动电机，使得平衡车进入自平衡状态，便于用户使用。该方法对于车身结构和材质无特殊要求，也无需额外安装部件，不存在结构应力漂移、橡胶老化等现象所带来的安全隐患，鲁棒性好，确保用户安全。
作为一种优选的实施方式，所述电机采用正弦波驱动电机，双电流环闭环控制，使得载人或助力等自平衡模式下车辆保持动态平衡功能。
作为一种优选的实施方式，所述陀螺仪姿态模块采用LSM6DS3芯片，该芯片组合了陀螺仪与加速度计。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器的计算机程序并运行以实现如上所述的平衡车状态检测方法或者如上所述的平衡车控制方法。
此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如上所述的平衡车状态检测方法或者如上所述的平衡车控制方法。
该计算机可读存储介质存储有计算机程序，本发明的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在该计算机存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质不包括电载波信号和电信信号。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种平衡车状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；
根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1，所述加速度a1＝cos(Alp)*sqrt(AccX*AccX+AccY*Accy)；
对所述加速度a1进行一阶差分处理得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)，N为正整数；
将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)，M为正整数；
根据所述序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下，其中，当序列y(m)的峰值超过阈值A1且峰峰时间间隔超过阈值B1，同时过零率少于C1，则判定为提起状态；当序列y(m)的峰值超过阈值A2，且峰峰时间间隔少于B2，同时序列过零率超过C2，则判定为放下状态。
2.一种平衡车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取陀螺仪的姿态数据以及加速度计的示数，根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度；
根据姿态角Alp、X轴加速度AccX以及Y轴加速度AccY拟合得到垂直于地面的加速度a1，所述加速度a1＝cos(Alp)*sqrt(AccX*AccX+AccY*Accy)；
对所述加速度a1进行一阶差分处理得到长序列x(n)；使用长度为N的窗函数对x(n)截断从而得到N点序列xn(n)，N为正整数；
将xn(n)求和并将使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)，M为正整数；
根据所述序列y(m)判断平衡车是否被提起或者被放下，其中，当序列y(m)的峰值超过阈值A1且峰峰时间间隔超过阈值B1，同时过零率少于C1，则判定为被提起状态；当序列y(m)的峰值超过阈值A2，且峰峰时间间隔少于B2，同时序列过零率超过C2，则判定为被放下状态；
当判定所述平衡车处于被提起状态时，则控制电机停止转动；当判定所述平衡车处于被放下状态时，则控制电机重新启动。
3.如权利要求2所述的平衡车控制方法，其特征在于，所述根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度具体为：通过互补滤波算法对所述姿态数据以及所述加速度计的示数进行融合得到俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度。
4.如权利要求2或3所述的平衡车控制方法，其特征在于，在根据所述姿态数据以及所述加速度计的示数计算俯仰角、滚转角、航偏角以及角速度之前还包括步骤：对所述姿态数据进行低通滤波处理。
5.如权利要求4所述的平衡车控制方法，其特征在于，在使用长度为M的窗函数对所得到的结果值截断从而得到序列y(m)之前还包括步骤：对所得到的结果值进行低通滤波处理。
6.一种平衡车，其特征在于，包括：控制器、陀螺仪姿态模块、电机、电池以及车体；所述陀螺仪姿态模块包括陀螺仪和加速度计，所述控制器、所述陀螺仪姿态模块、所述电机以及所述电池安装在所述车体上；所述控制器分别与所述陀螺仪姿态模块、所述电机、所述电池连接；所述控制器可实现如权利要求2至5任一项所述的平衡车控制方法。
7.如权利要求6所述的平衡车，其特征在于，所述电机采用正弦波驱动电机。
8.如权利要求6所述的平衡车，其特征在于，所述陀螺仪姿态模块采用LSM6DS3芯片。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有可执行计算机程序，所述处理器可读取所述存储器的计算机程序并运行以实现如权利要求1所述的平衡车状态检测方法或者如权利要求2至5任一项所述的平衡车控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行计算机程序，所述计算机程序运行时可实现如权利要求1所述的平衡车状态检测方法或者如权利要求2至5任一项所述的平衡车控制方法。
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| CN110281780B (zh) | 2021-02-02 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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