CN112172990A - 一种平衡车的控制方法及平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡车的控制方法及平衡车，旨在克服现有技术中平衡车操控难度较大的问题，包括以下步骤：前置步骤：获取双脚对平衡车的压力，当任意一只脚的压力大于设置的阈值，平衡车的车体保持水平，初始化步骤：当双脚的压力均大于设定的阈值，对控制模块进行初始化，操作信息获取步骤：获取使用者双脚的脚掌和脚跟对平衡车的压力、两个车轮的转速；动作控制步骤：将左脚脚掌和左脚脚跟的压力进行比较，获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌和右脚脚跟的压力进行比较，获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚压力偏差值、两个车轮的转速，获得两个并排车轮的转速控制分量并对两个并排车轮进行调速。

Description

一种平衡车的控制方法及平衡车

技术领域

本发明属于交通工具，特指一种平衡车的控制方法及平衡车。

背景技术

电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等，主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”(Dynamic Stabilization)的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持踏板的平衡。该陀螺仪板固定于车体内部，与水平面平行。当驾驶者身体前倾时，车子就会前行，当身体后仰时就会后退。平衡车是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。

现有技术中，为了简化平衡车，平衡车的结构具有两个车轮和一根车轴，两个车轮设置在车轴的两端，车轴上设置有两个可转动的踏板，踏板上设置有陀螺仪，陀螺仪检测踏板的转动角度，根据检测的角度变化控制车轮行驶。

然而现有技术不够完善，两个踏板相互旋转实现控制的方式太过复杂，使用者也不便于在平衡车上保持平衡，操控难度较大。

发明内容

为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种安全、操控方式设计合理的平衡车控制方法及平衡车。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平衡车的控制方法，包括以下步骤：

前置步骤：获取使用者的双脚对平衡车的压力，当任意一只脚的压力大于设置的阈值，使平衡车的车体保持水平；

初始化步骤：获取使用者双脚对平衡车的压力，当双脚的压力均大于设定的阈值，对控制模块进行初始化；

操作信息获取步骤：获取使用者双脚的脚掌和脚跟对平衡车的压力、两个并排车轮的转速；

动作控制步骤：将左脚脚掌的压力和左脚脚跟的压力进行比较，获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较，获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚压力偏差值、两个并排车轮的转速，获得两个并排车轮的转速控制分量，根据转速控制分量对两个并排车轮进行调速。

作为优选，所述左脚压力偏差值与左侧车轮的转速控制分量成正比，右脚压力偏差值与右侧车轮的转速控制分量成正比。

作为优选，所述转速控制分量用于控制对应车轮转速的大小和方向。

另外，本发明还提供了一种平衡车，包括车体，车体上并排设置有两个车轮，车轮带有轮毂电机，还包括控制模块，控制模块连接两个轮毂电机、电源模块、测速模块、至少四个压力传感器，测速模块用于检测两个轮毂电机的转速，其中四个压力传感器用于检测使用者双脚脚掌和脚跟的压力，控制模块将左脚脚掌的压力与左脚脚跟的压力进行比较并获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较并获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚偏差值、两个轮毂电机的转速，获得两个车轮的速度控制分量，根据两个车轮的速度控制分量对两个轮毂电机进行调速。

作为优选，所述车体上并排设置有两个可竖直转动的脚踏板，两个脚踏板对应于使用者的双脚，其中四个压力传感器分别设置在两个脚踏板的端部下方。

作为优选，所述车体上设置有支柱，脚踏板通过支柱架设在车体上，脚踏板可绕支柱进行转动，压力传感器设置在车体和踏板之间的空隙内。

作为优选，所述支柱和脚踏板之间也设置有压力传感器，控制模块连接有陀螺仪，陀螺仪用于检测车体的实时姿态，当支柱和脚踏板之间的压力传感器受压达到阈值时，控制模块将车体实时姿态与水平姿态进行比较，通过轮毂电机将车体调整至水平姿态。

作为优选，所述车体上固定设置有橡胶垫，脚踏板、压力传感器密封在橡胶垫和车体之间，支柱的上端面、脚踏板的下端面均为平面，橡胶垫迫使脚踏板的下端面贴合在支柱的上端面上。

作为优选，所述车体上开设有一一对应于脚踏板的安装槽，压力传感器、脚踏板分别设置在对应的安装槽内。

作为优选，所述车体包括自上而下依次固定设置在一起的上盖、内骨架和下盖，两个轮毂电机的机轴固定设置在内骨架的两侧，电源模块、控制模块设置在内骨架和下盖之间，压力传感器设置在上盖上。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

(1)采用双脚对平衡车的压力感应，控制平衡车保持平衡，有利于方便使用者上下平衡车，确保上下车的安全。

(2)采用双脚的压力偏差值，并结合车轮的转速，进而对两个并排车轮进行调速，通过控制两个并排车轮的差速转动、同步转动、加速、减速等，实现平衡车的前进、后退和转向，采用本平衡车的控制方法，使用者通过双脚的前后摆动即可调节双脚的压力偏差值，并且双脚分别单独控制两侧的车轮，符合人体运动逻辑，操作过程中平衡车保持水平，操作也更加安全。

附图说明

图1是本发明的平衡车的控制方法示意图；

图2是本发明的平衡车的结构示意图；

图3是本发明的爆炸结构示意图；

图4是本发明的电池的剖面结构示意图；

图5是本发明的上盖的结构示意图；

图中：1-上盖、2-下盖、3-内骨架、4-车轮、5-控制模块、6-压力传感器、7-电源模块、8-脚踏板、91-橡胶垫、92-前车灯、93-尾灯、94-陀螺仪、95-测速模块、11-安装槽、12-支柱、13-挡泥罩、14-凹槽、41-轮毂电机、42-轮胎、71-上壳体、72-下壳体、73-电池组。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种平衡车的控制方法，包括以下步骤：

前置步骤S1：获取使用者的双脚对平衡车的压力，当任意一只脚的压力大于设置的阈值，使平衡车的车体保持水平；

初始化步骤S2：获取使用者双脚对平衡车的压力，当双脚的压力均大于设定的阈值，对控制模块5进行初始化；

操作信息获取步骤S3：获取使用者双脚的脚掌和脚跟对平衡车的压力、两个并排车轮4的转速；

动作控制步骤S4：将左脚脚掌的压力和左脚脚跟的压力进行比较，获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较，获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚压力偏差值、两个并排车轮4的转速，获得两个并排车轮4的转速控制分量，根据转速控制分量对两个并排车轮4进行调速。

所述左脚压力偏差值与左侧车轮4的转速控制分量成正比，右脚压力偏差值与右侧车轮4的转速控制分量成正比，具体地，当左脚压力偏差值为零时，左侧车轮4的转速也为零，当左脚压力偏差值大于零时，左侧车轮4的转速方向向前，且随着左脚压力偏差值的变大，左侧车轮4的向前转速也变大，当左脚压力偏差值小于零时，左侧车轮4的转速方向向后，且随着左脚压力偏差值的变大，左侧车路内的向后转速也变大，右脚压力偏差值与右侧车轮4的转速关系也相同。

所述转速控制分量用于控制对应车轮4转速的大小和方向。

采用双脚对平衡车的压力感应，控制平衡车保持平衡，有利于方便使用者上下平衡车，确保上下车的安全。

采用双脚的压力偏差值，并结合车轮4的转速，进而对两个并排车轮4进行调速，通过控制两个并排车轮4的差速转动、同步转动、加速、减速等，实现平衡车的前进、后退和转向，采用本平衡车的控制方法，使用者通过双脚的前后摆动即可调节双脚的压力偏差值，并且双脚分别单独控制两侧的车轮4，符合人体运动逻辑，操作过程中平衡车保持水平，操作也更加安全。

如图2至4所示，本发明还提供一种平衡车，包括车体和控制模块5，车体上设置有两个车轮4，两个车轮4并排设置，车轮4包括轮毂电机41和轮胎42，轮毂电机41为外转子式电机，轮胎42固定设置在轮毂电机41的外侧，两个轮毂电机41的机轴设置在车体的两侧，轮毂电机41的转动可带动平衡车的行驶。

控制模块5连接控制模块5连接两个轮毂电机41、电源模块7、测速模块95、六个压力传感器6，电源模块7用于向平衡车的系统供电，测速模块95用于检测两个轮毂电机41的转速，其中四个压力传感器6用于检测使用者双脚脚掌和脚跟的压力。

控制模块5将左脚脚掌的压力与左脚脚跟的压力进行比较并获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较并获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚偏差值、两个轮毂电机41的转速，获得两个车轮4的速度控制分量，根据两个车轮4的速度控制分量对两个轮毂电机41进行调速。

测速模块95具体地为设置在轮毂电机41上编码器，测速模块95一一对应于轮毂电机41，压力传感器6具体地为应变片，当使用者踩在压力传感器6上时，压力传感器6受力发生形变并产生相应的电信号发送至控制模块5，控制模块5根据该电信号计算出当前的压力传感器6的压力值。

所述车体上并排设置有两个脚踏板8，两个脚踏板8可在车体上竖直转动，两个脚踏板8对应于使用者的双脚，，脚踏板8采用钢铁或铝合金制成，避免脚踏板8发生变形，提高了脚踏板8的耐用性，其中四个压力传感器6分别设置在两个脚踏板8的端部下方。

当使用者的双脚分别踩在两个脚踏板8上，如果脚踏板8的任意一端向下移动，位于下方的压力传感器6发生形变，从而产生相应的压力值，可转动的脚踏板8的结构相当于杠杆结构，进一步方便使用者前后摆动双脚，达到省时省力的效果。

所述车体上设置有一一对应于脚踏板8的支柱12，脚踏板8通过支柱12架设在车体上，脚踏板8的两端凌空设置，脚踏板8可绕支柱12进行转动，压力传感器6设置在车体和踏板之间的空隙内，当使用者的双脚踩在脚踏板8上时，使用者的体重主要承载在支柱12上，避免压力传感器6直接承重，因此本平衡车具有耐用的优点。

剩余的两个压力传感器6设置在对应的支柱12和脚踏板8之间，控制模块5连接有陀螺仪94，陀螺仪94用于检测车体的实时姿态，当任意支柱12和脚踏板8之间的压力传感器6受压达到阈值时，控制模块5将车体实时姿态与水平姿态进行比较，通过轮毂电机41将车体调整至水平姿态。

当两个脚踏板8和支柱12之间的压力传感器6均达到阈值时，控制模块5进行初始化。

所述车体上固定设置有橡胶垫91，橡胶垫91可通过胶水粘接在车体的上端，脚踏板8、压力传感器6密封在橡胶垫91和车体之间，起到了防尘、防水的效果，并且使用者脚踩在车体上时，和橡胶垫91直接接触，还起到避免使用者的脚发生打滑的问题。

支柱12的上端面、脚踏板8的下端面均为平面，橡胶垫91本身采用富有弹性的橡胶制成，橡胶垫91迫使脚踏板8的下端面贴合在支柱12的上端面上，当支柱12的上端面和脚踏板8的下端面贴合在一起，脚踏板8的两端并未造成两端的压力传感器6的形变，在撤去外力或无外力作用下，脚踏板8可自动复位，方便下一次使用。

支柱12的上端面开设有凹槽14，对应的压力传感器6设置在凹槽14内，进一步提高了结构的紧凑性，也避免压力传感器6直接承重，提高了使用寿命。

所述车体上开设有安装槽11，安装槽11一一对应于脚踏板8，脚踏板8、对应的压力传感器6分别设置在对应的安装槽11内，从而进一步提高了结构的紧凑性，也避免脚踏板8过于突兀地设置车体上，提高了使用者双脚踩踏的舒适度，另外，脚踏板8在安装槽11内下移距离是有限的，避免了压力传感器6形变过度导致失效的问题，提高了压力传感器6的使用寿命。

所述车体包括自上而下依次固定设置在一起的上盖1、内骨架3和下盖2，两个轮毂电机41的机轴固定设置在内骨架3的两侧，电源模块7、控制模块5设置在内骨架3和下盖2之间，压力传感器6设置在上盖1上，支柱12、安装槽11具体地形成在上盖1上。

内骨架3和上盖1可分别螺栓固定在下盖2上，上盖1和下盖2配合形成内腔，内骨架3、控制模块5、电源模块7、陀螺仪94分别设置在该内腔中。

内骨架3采用钢铁或铝合金制成，提高了平衡车的构件的强度，也提高了平衡车的承重能力。

内骨架3的整体结构呈平板状，内骨架3承托在上盖1的下方，进一步提高了内骨架3对上盖1的支撑的平稳性。

上盖1的两侧固定设置有挡泥罩13，两个挡泥罩13分别罩设在两个车轮4上，避免行驶时，车轮4卷起的泥水甩到使用者身上。

下盖2的前端设置有两个前车灯92，下盖2的后端设置有尾灯93，前车灯92、尾灯93分别电连接控制模块5，前车灯92、尾灯93用于在平衡车行驶时提高照明，方便在漆黑的环境下行驶。

电源模块7包括上壳体71、下壳体72和电池组73，上壳体71和下壳体72可采用超声波熔合的方式固定在一起，上壳体71和下壳体72配合形成密闭的内腔，电池组73固定设置在该密闭的内腔中，进一步提高了对电池组73的防护，电池组73可选用锂电池。

如图5所示，A、B、C、D、E、F分别指代六个压力传感器6在上盖1上的安装位置，A、B、C、D处的压力传感器6分别对应于使用者右脚的脚掌、左脚的脚掌、右脚的脚跟和左脚的脚跟，下面介绍本平衡车的操控原理：

当E、F处的压力传感器6中任意一个受压达到阈值时，车体保持水平状态；

当E、F处的压力传感器6均达到阈值时，控制模块5初始化平衡车进入骑行模式；

平衡车前进的条件为，两个踏板均向前倾斜，并且倾斜程度一致，A、B处的压力传感器6受压程度一致，C、D处的压力传感器6不受压，平衡车保持前进，平衡车前进速度随着踏板的前倾角度的变大而变大；

平衡车后退的条件为，两个踏板均向后倾斜，并且倾斜程度一致，C、D处的压力传感器6受压程度一致，A、B处的压力传感器6不受压，平衡车保持后退，平衡车后退速度随着踏板的后倾角度的变大而变大；

平衡车停止的条件为，两个踏板均保持水平，A、B、C、D处的压力传感器6均不受压，平衡车保持静止；

平衡车向右转向的条件为，两个踏板均向前倾斜，B处的压力传感器6受压程度大于A处的压力传感器6受压程度，左侧的车轮4转速大于右侧车轮4的转速，形成差速，平衡车向右转向；

平衡车向左转向的条件为，两个踏板均向前倾斜，A处的压力传感器6受压程度大于B处的压力传感器6受压程度，右侧的车轮4转速大于左侧车轮4的转速，形成差速，平衡车向左转向。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平衡车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

前置步骤：获取使用者的双脚对平衡车的压力，当任意一只脚的压力大于设置的阈值，使平衡车的车体保持水平；

初始化步骤：获取使用者双脚对平衡车的压力，当双脚的压力均大于设定的阈值，对控制模块(5)进行初始化；

操作信息获取步骤：获取使用者双脚的脚掌和脚跟对平衡车的压力、两个并排车轮(4)的转速；

动作控制步骤：将左脚脚掌的压力和左脚脚跟的压力进行比较，获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较，获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚压力偏差值、两个并排车轮(4)的转速，获得两个并排车轮(4)的转速控制分量，根据转速控制分量对两个并排车轮(4)进行调速。

2.根据权利要求1所述的一种平衡车的控制方法，其特征在于，所述左脚压力偏差值与左侧车轮(4)的转速控制分量成正比，右脚压力偏差值与右侧车轮(4)的转速控制分量成正比。

3.根据权利要求1或2所述的一种平衡车的控制方法，其特征在于，所述转速控制分量用于控制对应车轮(4)转速的大小和方向。

4.一种平衡车，包括车体，车体上并排设置有两个车轮(4)，车轮(4)带有轮毂电机(41)，其特征在于，还包括控制模块(5)，控制模块(5)连接两个轮毂电机(41)、电源模块(7)、测速模块(95)、至少四个压力传感器(6)，测速模块(95)用于检测两个轮毂电机(41)的转速，其中四个压力传感器(6)用于检测使用者双脚脚掌和脚跟的压力，控制模块(5)将左脚脚掌的压力与左脚脚跟的压力进行比较并获得左脚压力偏差值，将右脚脚掌的压力与右脚脚跟的压力进行比较并获得右脚压力偏差值，结合左脚压力偏差值、右脚偏差值、两个轮毂电机(41)的转速，获得两个车轮(4)的速度控制分量，根据两个车轮(4)的速度控制分量对两个轮毂电机(41)进行调速。

5.根据权利要求4所述的一种平衡车，其特征在于，所述车体上并排设置有两个可竖直转动的脚踏板(8)，两个脚踏板(8)对应于使用者的双脚，其中四个压力传感器(6)分别设置在两个脚踏板(8)的端部下方。

6.根据权利要求5所述的一种平衡车，其特征在于，所述车体上设置有支柱(12)，脚踏板(8)通过支柱(12)架设在车体上，脚踏板(8)可绕支柱(12)进行转动，压力传感器(6)设置在车体和踏板之间的空隙内。

7.根据权利要求6所述的一种平衡车，其特征在于，所述支柱(12)和脚踏板(8)之间也设置有压力传感器(6)，控制模块(5)连接有陀螺仪(94)，陀螺仪(94)用于检测车体的实时姿态，当支柱(12)和脚踏板(8)之间的压力传感器(6)受压达到阈值时，控制模块(5)将车体实时姿态与水平姿态进行比较，通过轮毂电机(41)将车体调整至水平姿态。

8.根据权利要求6或7所述的一种平衡车，其特征在于，所述车体上固定设置有橡胶垫(91)，脚踏板(8)、压力传感器(6)密封在橡胶垫(91)和车体之间，支柱(12)的上端面、脚踏板(8)的下端面均为平面，橡胶垫(91)迫使脚踏板(8)的下端面贴合在支柱(12)的上端面上。

9.根据权利要求4至7中任意一项所述的一种平衡车，其特征在于，所述车体上开设有一一对应于脚踏板(8)的安装槽(11)，压力传感器(6)、脚踏板(8)分别设置在对应的安装槽(11)内。

10.根据权利要求4所述的一种平衡车，其特征在于，所述车体包括自上而下依次固定设置在一起的上盖(1)、内骨架(3)和下盖(2)，两个轮毂电机(41)的机轴固定设置在内骨架(3)的两侧，电源模块(7)、控制模块(5)设置在内骨架(3)和下盖(2)之间，压力传感器(6)设置在上盖(1)上。

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