CN111071063B - 车速控制方法以及具有车速控制功能的机动车 - Google Patents

车速控制方法以及具有车速控制功能的机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固定场地内所用的功能机动车的控制方案。本发明提出一种车速控制方法，用于对机动车的行走进行稳定控制，具体包括：(S1)对机动车助推模式的控制流程和(S2)对机动车遥控模式的控制流程，其中二者中均是基于对车速检测量和坡度检测量进行的，二者的控制流程中均是：进行测速监控和持续进行稳速控制，同时根据当前所处的坡度大小的程度来决定是否在发生的超速行为时进行刹车稳速干预。本发明还提出一种机动车，包括车体、行走驱动系统、测速模块，以及还包括用于检测俯仰角的传感模块，所述机动车通过上述的车速控制方法进行车速控制。本发明的车辆实现了具有坡度稳定功能的车速控制方案。

Description

车速控制方法以及具有车速控制功能的机动车
技术领域
本发明涉及固定场地内所用的功能机动车的控制，尤其涉及这类固定场地内所用的功能机动车的车速控制方案。
背景技术
目前市面上高尔夫球包车和工具车等固定场地内所用的功能机动车因为要适应各种坡地，对车速是需要进行一定的控制干预的。目前，低端的车是不具有电机测速模块，其车速控制全靠算法进行固定输出，其车速控制效果不佳；中端的车有带电机测速模块(霍尔或者光电编码)，能稳定速度，能够根据车速反馈来调整车速控制，其车速控制效果相对有所提升。但是，前述的两种车由于缺少对工作环境的空间感知能力，高尔夫球包车行走的时候平地是最优的情况，其车速控制方案也是适用的。但是在实际应用环境中，会有“外界干扰”，这些干扰可以是上下坡、坑坑洼洼的草地、撞到障碍物、助推模式下人给的外力控制、翻车等等，就会导致现有的车速控制方案不能良好适用。
发明内容
因此，本发明针对现有固定场地内所用的功能机动车的车速控制方案的不足之处，提出一种具有稳定良好的车速控制方案的功能机动车。
本发明首先提出一种车速控制方法，用于对机动车的行走进行稳定控制，具体包括：(S1)对机动车助推模式的控制流程和(S2)对机动车遥控模式的控制流程，其中所述(S1)对机动车助推模式的控制流程和(S2)对机动车遥控模式的控制流程中均是基于对车速检测量和坡度检测量进行的，所述(S1)对机动车助推模式的控制流程和(S2)对机动车遥控模式的控制流程中均是：进行测速监控和持续进行稳速控制，同时根据当前所处的坡度大小的程度来决定是否在发生的超速行为时进行刹车稳速干预。
作为一个实施方式，所述(S1)对机动车助推模式的控制流程中，坡度大小的程度包括第一程度、第二程度和第三程度，所述第一程度为下坡坡度，第三程度为上坡坡度，第二程度为介于缓上坡和缓下坡的坡度范围，其中：在处于所述第一程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第二程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预；在处于第三程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预。
作为一个实施方式，所述(S2)对机动车遥控模式的控制流程中，坡度大小的程度包括第一程度、第二程度和第三程度，所述第一程度为下坡坡度，第三程度为上坡坡度，第二程度为介于缓上坡和缓下坡的坡度范围，其中：在处于所述第一程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第二程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第三程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预。
作为一个实施方式，所述第一程度为俯仰角为小于-4°所对应的坡度，所述第二程度为俯仰角为处于-4°至4°之间所对应的坡度，所述第三程度为俯仰角为大于4°所对应的坡度。
作为一个实施方式，所述的稳速控制和刹车稳速干预是基于PID控制算法来改变加载于全桥驱动直流电机的驱动电路上的功率开关管所对应PWM波形而实现的。
作为一个实施方式，所述PID控制算法为增量式PID算法，并且当增量式PID算法中的控制量经过增减后出现小于0时，判断是否需要进行刹车稳速干预的情况，如果否，则使PWM波形输出为0，让电机处于悬空状态，如果是，则将负值的控制量取绝对值，并将绝对值后的控制量表达成相应的PWM波形，并输出加载至相应的功率开关管上，进行刹车深度调整控制。
作为一个实施方式，还包括(S3)对机动车跟随模式的控制流程，其车辆行进的车速控制方式与所述(S2)对机动车遥控模式的控制流程是一致的，其还包括行走转弯的控制流程，所述行走转弯的控制流程是根据当前所处的坡度大小的程度来决定是否对转弯力度进行增减。
作为一个实施方式，所述(S3)对机动车跟随模式的控制流程中的所述行走转弯的控制流程中坡度大小的程度包括第一程度、第二程度、第三程度和第四程度，所述第一程度为下坡坡度，第二程度为介于缓上坡和缓下坡的坡度范围，第三程度为普通上坡坡度，第四程度为陡坡上坡坡度，其中：在处于所述第一程度时，进行自动跟随行走并在转弯时以加大转弯力度的方式控制转弯；在处于第二程度时，进行自动跟随行走并在转弯时按照常规转弯力度控制转弯；在处于第三程度时，进行自动跟随行走并在转弯时以减小转弯力度的方式控制转弯；在处于第四程度时，停止自动跟随行走。
作为一个实施方式，所述第一程度为俯仰角为小于-4°所对应的坡度，所述第二程度为俯仰角为处于-4°至4°之间所对应的坡度，所述第三程度为俯仰角为大于4°但小于等于25°所对应的坡度，所述第四程度为大于25°所对应的坡度。
其次，本发明还提出一种机动车，包括车体、行走驱动系统、测速模块，以及还包括用于检测俯仰角的传感模块，所述机动车通过上述的车速控制方法进行车速控制。
本发明采用如上技术方案，在车速控制方案中加入了检测外界环境的坡度作为车速调整的参考量之一，从而使得本发明的车辆实现了具有坡度稳定功能的车速控制方案。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的高尔夫球车的示意图；
图2是本发明的一个实施例的车速控制方案的流程图；
图3是本发明的一个实施例的PID控制方式的流程图；
图4是本发明的一个实施例的电机驱动系统的电路示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参阅图1所示，本发明的机动车是以高尔夫场地内所用的高尔夫球车为例进行说明。高尔夫球车在高尔夫场地内的移动模式通常包括：助推模式、遥控模式和跟随模式。助推模式是指人力辅助推动高尔夫球车进行行走的方式，车的速度和人的速度相对一致，此模式的理想状态应当是期望人在操作时不能受到球车的反向阻碍从而能够具有较小推力，但还得确保不会因为超速失控而导致危险发生。遥控模式是指车辆行走是由人通过遥控器来控制，那就相当于“外界的干扰”都是环境造成的，没有人力干扰，此模式只要确保不会因为超速失控而导致危险发生即可。而跟随模式是车跟随人行走的方式，相当于自主导航，需要车辆实时检测环境并对自己进行控制，因此此模式也需要确保不会因为超速失控而导致危险发生。
然而，在高尔夫的山地球场，坡度非常大，车在不同的坡度上重心是有很大的差别的，上坡的时候重心靠后，如果没有带坡度监测的车速稳定系统很容易发生后翻或侧翻的事故。因为，如果没有带坡度监测的车速稳定系统的情况下，人在助推模式下，整车无法判断此时的外界干扰是由人力控制造成的，还是上下坡时负载不同导致的。车辆如果无法判断的话，在助推模式下，车辆会产生一个反抗人力的动作，比如助推时车速稳定在5Km/h，助推者想走快一点，给车辆一个往前的力，人力来加速，如果没有坡度检测的情况下，此时车辆的测速模块发现电机超过5km/h，车辆认为是在下坡或其他超速行为，会进行刹车降速，让速度稳定在5km/h,这样助推者会明显感觉到车辆在抗拒自己，人用的力越大，车辆抗拒的力越大，对使用者显然很不友好。但是，一旦车辆到了下坡环境，车辆在进行下坡时则一定要刹车稳定车速，不然车辆越走越快，就会导致超速失控而发生危险。
另外，现有一些带有自动跟随或者自动导航功能的车辆，其内置的平地的转弯控制算法到了不同的坡度上就会发生不适用的问题。由于车辆对转弯控制要求较精准，内置的平地的转弯控制算法在坡度环境中就会因坡度而导致重心不同，使得实际的转弯角度会有很大偏差。例如，上坡时重心靠后，前轮的摩擦力小，例如：平地整车转弯力度1档可以转10度，到了10度的坡上转弯力度1档就有可能转弯30度。这样对于自动跟随和自动导航的车在跟随模式下，有可能因为地形的问题，导致方向偏差巨大。
因此，本发明的高尔夫球车基于此，在车速控制方案中加入了检测外界环境的坡度作为车速调整的参考量之一，从而使得本发明的高尔夫球车就能很好的判断“外界干扰源”，实现了具有坡度稳定功能的车速控制方案。
具体的，本发明的高尔夫球车的行走驱动和车速控制是通过单直流电机采用全桥驱动方式进行控制。参阅图4所示，即为本发明的高尔夫球车的一个优选的实施例的电机驱动电路，其包括了4个功率开关管QA、QB、QC、QD构成的单电机全桥驱动电路，当导通功率开关管QA和QD时电机DC MOTOR正转，导通功率开关管QB和QC时电机DC MOTOR反转。因此，只要以一定的PWM(Pulse Width Modulation)波形，通过调整占空比来控制功率开关管QA、QD导通或者控制功率开关管QB和QC导通就能实现对电机DC MOTOR进行调速控制。当功率开关管导通QB和QD时，此时电机DC MOTOR两端短接到地。只要外力一转动电机DC MOTOR，电机DCMOTOR两端就会有电势，就会产生短接电流，此电流刚好和电机的转动方向相反，就会形成阻力，此时电机DC MOTOR是具有刹车力的。此时，给电机DC MOTOR施加足够的外部的力气还是能转动的，只是有会很大的阻力。因此，如果我们以一定的PWM(Pulse WidthModulation)波形，通过调整占空比来控制功率开关管QB和QD导通来短接电机时，就会有个刹车深度(刹车力变化)的调整控制。比如，以百分十的占空比的PWM波形进行短接，此时电机的刹车阻力比较小，逐渐加大PWM波形的占空比加大，刹车阻力会慢慢的加大，直到功率开关管QB和QD全程导通来实现电机完全短接，达到最大刹车阻力。
此外，高尔夫球车还具有用于电机测速模块，如采用霍尔传感器或者光电编码进行计数实现电机测速，从而能够换算出当前车速，此部分可以采用本领域常规技术实现，于此不再详细说明。
更主要的，本发明的高尔夫球车还具有用于检测俯仰角的传感模块，例如采用MPU6500角速度和角加速度传感器实现，检测的俯仰角即为此时高尔夫球车所在环境的坡度，因此即可藉由检测的俯仰角作为控制的输入变量参与车速控制调整。
参阅图2所示，其作为一个优选实施方式的车速控制方案的流程如下：
首先进行控制模式的判断：如果是助推模式，则进入(S1)助推模式的控制子流程，如果是遥控模式，则进入(S2)遥控模式的控制子流程，如果是跟随模式，则进入(S3)跟随模式的控制子流程。
其中，(S1)助推模式的控制子流程，如下：
S10：根据所检测到的俯仰角，对俯仰角的大小进行判别；
如果俯仰角为小于-4°，则进入S11:进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行PID刹车稳速干预；
如果俯仰角为处于-4°至4°之间(包括本数)，则进入S12:仅进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行干预(即不进行PID刹车稳速干预)；
如果俯仰角为大于4°，则进入S13:仅进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行干预(即不进行PID刹车稳速干预)。
上述(S1)助推模式的控制子流程中的3个控制方案所设定俯仰角的大小判别的设定值(如-4°、4°)是根据一个具体实施例的高尔夫球车结构形态和重心分布以及车轮摩擦力等参数在具体场地实验中所得的，在实际应用中可以根据不同的车辆的结构形态、重心分布等不同而略有调整，这些设定值不应理解用于限定本发明的范围。
其中，(S2)遥控模式的控制子流程，如下：
S20：根据所检测到的俯仰角，对俯仰角的大小进行判别；
如果俯仰角为小于-4°，则进入S21:进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行PID刹车稳速干预；
如果俯仰角为处于-4°至4°之间(包括本数)，则进入S22:进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，并对监控中发生的超速行为也进行PID刹车稳速干预；
如果俯仰角为大于4°，则进入S13:仅进行测速监控和持续进行常规的PID稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行干预(即不进行PID刹车稳速干预)。
上述(S2)遥控模式的控制子流程中的3个控制方案所设定俯仰角的大小判别的设定值(如-4°、4°)是根据一个具体实施例的高尔夫球车结构形态和重心分布以及车轮摩擦力等参数在具体场地实验中所得的，在实际应用中可以根据不同的车辆的结构形态、重心分布等不同而略有调整，这些设定值不应理解用于限定本发明的范围。
参阅图3所示，以及同时再次参阅图4所示，上述的(S1)助推模式的控制子流程和(S2)遥控模式的控制子流程中，PID刹车稳速干预和PID稳速控制均是基于比例积分微分控制策略(proportional-integral-derivativecontrol，PID)来调整相应的功率开关管QA、QB、QC、QD的PWM波形以实现刹车稳速控制和车速稳速控制。例如本实施例中，刹车稳速的控制是调整改变加载于功率开关管QB和QD上的PWM波形来改变电机的刹车阻力，从而实现刹车稳速；车速稳速的控制是调整改变加载于功率开关管QA、QD(正转)和/或功率开关管QB、QC(反转)上的PWM波形来改变电机的转速，从而实现车速稳速。其中，PWM波形的改变量是基于PID控制策略实现的。PID控制策略实现PWM波形调整是属于本领域技术人员可以掌握的技术，于此就不再详细展开说明。需要说明的，PWM波形的改变量除了基于PID控制策略实现外，在其他实施例的应用中，也可以采用其他控制策略，例如模糊控制策略、FPS控制策略、ADRC控制策略等来进行调整控制。
参阅图3所示，作为本发明一个实施例中的PID控制方式，展示如下：
S41:采集电机光电编码信号(如果采用霍尔传感器测速，则采集霍尔信号)；
S42:根据电机光电编码信号换算转换成电机转速(即获知当前车速)；
S43:载入设定的目标转速(即载入设定的目标车速)；
S44:根据电机转速和目标转速，采用增量式PID算法进行计算；
S45:根据增量式PID算法，计算出对控制量的增减量；
S46:根据当前的控制量和计算出的增减量，对控制量进行更新调整；
S47:判断更新调整后的控制量是否小于0；
如果否，则S48:将控制量表达成相应的PWM波形，并输出加载至相应的功率开关管上，进行车速调整控制；
如果是，
则S49:判断是否需要进行PID刹车稳速干预；
如果否，则S410:使PWM波形输出为0，让电机处于悬空状态；
如果是，则S411:将负值的控制量取绝对值，并将绝对值后的控制量(正值)表达成相应的PWM波形，并输出加载至相应的功率开关管上，进行刹车深度调整控制。
本实施例中的PID控制方式的改进之处在于：本发明考虑到PID调速环节有个当控制量小于0时，如果要进行刹车调速，就把负值取绝对值，产生的值输入到刹车模式中进行调整，就有个刹车的深度，能更顺滑的刹车稳速，而不是控制量一小于0就完全刹车，或者反转，这样会电机控制系统板和电机机械机构损伤严重。
其中，(S3)跟随模式的控制子流程，其车辆行进的车速控制方式与所述(S2)遥控模式的控制子流程是一致的，但其还额外涉及对行走转弯的控制，具体流程如下：
S30：根据所检测到的俯仰角，对俯仰角的大小进行判别；
如果俯仰角为小于-4°，则进入S31:进行自动跟随行走并在转弯时以加大转弯力度的方式控制转弯；
如果俯仰角为处于-4°至4°之间(包括本数)，则进入S32:进行自动跟随行走并在转弯时按照常规转弯力度控制转弯；
如果俯仰角为大于4°但小于等于25°，则进入S33:进行自动跟随行走并在转弯时以减小转弯力度的方式控制转弯；
如果俯仰角为大于25°，则进入S34:停止自动跟随行走。
本发明的跟随模式的控制子流程中，考虑到外界环境的坡度对影响车辆转弯效果的影响，在俯仰角为小于-4°情况下，转弯时以加大转弯力度的方式控制转弯；而在俯仰角为大于4°但小于等于25°情况下，转弯时以减小转弯力度的方式控制转弯；相比于现有的恒定转弯力度控制方式而言，在相应的地形的转弯更加准确，避免了转弯偏差大的发生。具体的，加大或减小转弯力度的增减量，可以根据车辆的车型结构、重心分布以及车轮摩擦力等参数在具体场地实验中所得的和进行调整，例如平面地形的转弯力度为10，而在俯仰角为小于-4°情况下，转弯力度可以改为12、13、14……(具体可以根据坡度的大小来调整)，而在俯仰角为大于4°但小于等于25°情况下，转弯力度可以改为8、7、6……(具体可以根据坡度的大小来调整)。
同样的，上述(S3)跟随模式的控制子流程中的4个控制方案所设定俯仰角的大小判别的设定值(如-4°、4°、25°)是根据一个具体实施例的高尔夫球车结构形态和重心分布以及车轮摩擦力等参数在具体场地实验中所得的，在实际应用中可以根据不同的车辆的结构形态、重心分布等不同而略有调整，这些设定值不应理解用于限定本发明的范围。
对于本发明的一个实施例中，转弯的控制方式例举说明如下：当收到转弯的指令时，如左转，那右边的轮子保持原速，左边的轮子进行刹车，这个刹车不是完全刹车，而是用上述PID刹车控制方式改变PWM波形来控制刹车深度，这样就能控制转弯的力度。平面地形时的跟随时模式按照事先设定好的转弯力度行走，当坡度增大时，对刹车PWM波形占空比进行减少，这样就能减少上坡时的转弯力度，就不会出现转弯力度过大，导致车身摇摆；当坡度变小时，与之类似方式来进行对应调整改变。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种车速控制方法，用于对机动车的行走进行稳定控制，包括对机动车助推模式的控制流程S1和对机动车遥控模式的控制流程S2，其中所述对机动车助推模式的控制流程S1和对机动车遥控模式的控制流程S2中均是基于对车速检测量和坡度检测量进行的，所述对机动车助推模式的控制流程S1和对机动车遥控模式的控制流程S2中均是：进行测速监控和持续进行稳速控制，同时根据当前所处的坡度大小的程度来决定是否在发生的超速行为时进行刹车稳速干预；其特征在于：还包括对机动车跟随模式的控制流程S3，其车辆行进的车速控制方式与所述对机动车遥控模式的控制流程S2是一致的，其还包括行走转弯的控制流程，所述行走转弯的控制流程是根据当前所处的坡度大小的程度来决定是否对转弯力度进行增减，具体的：所述坡度大小的程度包括第一程度、第二程度、第三程度和第四程度，所述第一程度为小于第一预设的下坡度的范围，第二程度为介于第一预设的下坡度和第二预设的上坡度之间的范围，第三程度为介于第二预设的上坡度和第三预设的上坡度之间的范围，第四程度为大于第三预设的上坡度的范围，其中：在处于所述第一程度时，进行自动跟随行走并在转弯时以加大转弯力度的方式控制转弯；在处于第二程度时，进行自动跟随行走并在转弯时按照常规转弯力度控制转弯；在处于第三程度时，进行自动跟随行走并在转弯时以减小转弯力度的方式控制转弯；在处于第四程度时，停止自动跟随行走。
2.根据权利要求1所述的车速控制方法，其特征在于：所述第一预设的下坡度是仰角为-4°所对应的坡度，所述第二预设的上坡度是仰角为4°所对应的坡度，所述第三预设的上坡度是仰角为25°所对应的坡度；从而：所述第一程度为俯仰角为小于-4°所对应的坡度，所述第二程度为俯仰角为处于-4°至4°之间所对应的坡度，所述第三程度为俯仰角为大于4°但小于等于25°所对应的坡度，所述第四程度为大于25°所对应的坡度。
3.根据权利要求1所述的车速控制方法，其特征在于：所述对机动车助推模式的控制流程S1中，坡度大小的程度包括第一程度、第二程度和第三程度，所述第一程度为小于第四预设的下坡度的范围，第三程度为大于第五预设的上坡度的范围，第二程度为介于第四预设的下坡度和第五预设的上坡度之间的范围，其中：在处于所述第一程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第二程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预；在处于第三程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预。
4.根据权利要求1所述的车速控制方法，其特征在于：所述对机动车遥控模式的控制流程S2中，坡度大小的程度包括第一程度、第二程度和第三程度，所述第一程度为小于第四预设的下坡度的范围，第三程度为大于第五预设的上坡度的范围，第二程度为介于第四预设的下坡度和第五预设的上坡度之间的范围，其中：在处于所述第一程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第二程度时，进行测速监控和持续进行稳速控制，并对监控中发生的超速行为进行刹车稳速干预；在处于第三程度时，仅进行测速监控和持续进行稳速控制，但对监控中发生的超速行为不进行刹车稳速干预。
5.根据权利要求3或4所述的车速控制方法，其特征在于：所述第四预设的下坡度是仰角为-4°所对应的坡度，所述第五预设的上坡度是仰角为4°所对应的坡度；从而：所述第一程度为俯仰角为小于-4°所对应的坡度，所述第二程度为俯仰角为处于-4°至4°之间所对应的坡度，所述第三程度为俯仰角为大于4°所对应的坡度。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的车速控制方法，其特征在于：所述的稳速控制和刹车稳速干预是基于PID控制算法来改变加载于全桥驱动直流电机的驱动电路上的功率开关管所对应PWM波形而实现的。
7.根据权利要求6所述的车速控制方法，其特征在于：所述PID控制算法为增量式PID算法，并且当增量式PID算法中的控制量经过增减后出现小于0时，判断是否需要进行刹车稳速干预的情况，如果否，则使PWM波形输出为0，让电机处于悬空状态，如果是，则将负值的控制量取绝对值，并将绝对值后的控制量表达成相应的PWM波形，并输出加载至相应的功率开关管上，进行刹车深度调整控制。
8.一种机动车，包括车体、行走驱动系统、测速模块，其特征在于：还包括用于检测俯仰角的传感模块，所述机动车通过上述权利要求1-7任一所述的车速控制方法进行车速控制。
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