CN207790997U - 一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及两轮平衡车技术领域。目的是提供一种能够有效提高行车安全性的基于功能安全的两轮平衡车控制系统。本实用新型所采用的技术方案是：一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统，包括供电组件、相互之间构成通讯连接的主控MCU和辅助MCU、及两组用于采集两轮平衡车姿态信息的信号采集组件。主控MCU和辅助MCU均包括电源模块、信号采集模块、报警模块和控制信号输出模块。两组信号采集组件分别与主控MCU和辅助MCU的信号采集模块连接，主控MCU的信号采集模块还与辅助MCU对应的电源芯片连接，辅助MCU的信号采集模块还与主控MCU对应的电源芯片连接。本实用新型降低了故障风险，能够极大的提高两轮平衡车在使用过程中的安全性。

Description

一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统

技术领域

本实用新型涉及两轮平衡车技术领域,具体涉及一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统。

背景技术

作为一种便捷的代步交通工具，两轮平衡车凭借结构简单、体积小、运动灵活以及零转弯半径和自控制平衡的特点，已经广泛地应用到人们的日常出行生活、汽车站、购物中心、机场和展览馆等人流密集的大范围场所。然而对于这一便捷的发明，也存在一些不容忽视的安全问题，如平衡车与行人的事故纠纷，采访中平衡车的摔倒事故等，这已严重的影响到人们的日常出行生活安全。

两轮平衡车是一种两轮左右分布，中间带类似倒立摆的车子。这种车子是一种不稳定体，因此需要设计相应的控制系统以控制其保持平衡，其工作原理：控制系统利用传感器检测出车身的俯仰状态变化率，在通过中央处理器计算并发出指令，驱动电机进行加速向前或向后等动作保持车体平衡，驾驶者通过前倾或后仰来控制车子的速度，通过倾斜把手来控制其左右转向。

随着社会及公众对平衡车产品的安全性要求越来越高，且现有的平衡车控制系统在开发设计阶段缺乏功能安全理念考虑，致使因电子电气系统复杂性提高而带来的系统性失效和随机硬件失效的安全风险无法降低及避免。因此，如何有效的降低两轮平衡车控制系统失效故障率，保障驾驶者的行车安全是本领域的重大技术难题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够有效提高行车安全性的基于功能安全的两轮平衡车控制系统。

为实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统，包括供电组件、相互之间构成通讯连接的主控MCU和辅助MCU、及两组用于采集两轮平衡车姿态信息的信号采集组件；

所述供电组件包括三个分别用于向主控MCU、辅助MCU和信号采集组件供电的电源芯片；

所述主控MCU和辅助MCU均包括电源模块、信号采集模块、报警模块和控制信号输出模块；两组所述信号采集组件分别与主控MCU和辅助MCU的信号采集模块连接，所述主控MCU的信号采集模块还与辅助MCU对应的电源芯片连接，辅助MCU的信号采集模块还与主控MCU对应的电源芯片连接；所述主控MCU和辅助MCU的控制信号输出模块均与两轮平衡车的驱动电机连接。

优选的，每组所述信号采集单元均包括一个陀螺仪、一个加速仪和一个光电编码器。

优选的，还包括显示装置，所述显示装置分别与主控MCU和辅助MCU的报警模块连接。

优选的，所述主控MCU和辅助MCU之间构成SPI通讯连接。

本实用新型具有以下有益效果：降低了故障风险，能够极大的提高两轮平衡车在使用过程中的安全性。具体来说，本实用新型在使用过程中，控制系统设置有主控MCU和辅助MCU，通过两组信号采集组件对两轮平衡车的姿态进行检测，并分别反馈至主控MCU和辅助MCU。主控MCU和辅助MCU均具有控制的作用，两组信号采集组件均可采集姿态信息，在主控MCU和一组信号采集组件发生故障时，辅助MCU和另一组信号采集组件可进行临时控制，降低了故障风险及控制失效带来的安全隐患。同时，由于主控MCU和辅助MCU采用异构处理，也就是不同型号的MCU，因此，能够有效的降低共因导致的故障风险。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

如图1和2所示的一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统，包括供电组件、相互之间构成通讯连接的主控MCU和辅助MCU、及两组用于采集两轮平衡车姿态信息的信号采集组件；所主控MCU与辅助MCU之间实时进行信息交互的通讯连接，通讯连接的方式通常采用SPI通讯。

所述供电组件包括三个分别用于向主控MCU、辅助MCU和信号采集组件供电的电源芯片；如图1所示，也就是说三个电源芯片分别通过电源线与主控MCU、辅助MCU和信号采集组件连接，提供工作电源。

所述主控MCU和辅助MCU均包括用于与电源芯片连接的电源模块、用于与信号采集组件连接的信号采集模块、用于发出报警提示的报警模块和用于向驱动电机输出控制信号的控制信号输出模块；两组所述信号采集组件分别与主控MCU和辅助MCU的信号采集模块连接，用于采集两轮平衡车的姿态信息，每组所述信号采集单元通常均包括一个用于采集角速度信息的陀螺仪、一个用于采集角度信息的加速仪和一个用于采集车速和位置信息的光电编码器。一组陀螺仪、加速仪和光电编码器与主控MCU通过信号线连接，另一组陀螺仪、加速仪和光电编码器与辅助MCU通过信号线连接。

为了实现主控MCU和辅助MCU之间电源状态的相互监测，所述主控MCU的信号采集模块还与辅助MCU对应的电源芯片连接，辅助MCU的信号采集模块还与主控MCU对应的电源芯片连接。如图1所示，电源芯片2#与主控MCU的电源模块连接，则其也应与辅助MCU的信号采集模块连接。所述主控MCU和辅助MCU的控制信号输出模块均与两轮平衡车的驱动电机连接，所述驱动电机包括用于驱动左轮的左电机和驱动右轮的右电机。另外，本实用新型通常还包括显示装置，所述显示装置分别与主控MCU和辅助MCU的报警模块连接，用于发布报警信息。

本实用新型在使用过程中，控制系统设置有主控MCU和辅助MCU，通过两组信号采集组件对两轮平衡车的姿态进行检测，并分别反馈至主控MCU和辅助MCU。主控MCU和辅助MCU均具有控制的作用，两组信号采集组件均可采集姿态信息，在主控MCU和一组信号采集组件发生故障时，辅助MCU和另一组信号采集组件可进行临时控制，降低了故障风险及控制失效带来的安全隐患。同时，由于主控MCU和辅助MCU采用异构处理，也就是不同型号的MCU，例如主控MCU可选择16位单片机，辅助MCU可选择8位单片机。因此，能够有效的降低共因导致的故障风险。

为提高两轮平衡车控制器系统的可靠性，本实用新型对控制器进行了双MCU设计思路，并采用主从架构，即主控MCU主要负责信息的采集、运算以及外围其他部件的控制。辅助MCU能够实现对主MCU的冗余，更重要的是监控主控MCU，判断其是否存在生命信号，并在主控MCU失效时能够接管主控MCU的基本功能。根据冗余和异构的原则，主控、辅助MCU采用不同型号的单片机，这样可以有效地提高控制器的功能安全性能。而辅助MCU也对重要信号进行采集，包括陀螺仪、加速仪和光电编码器3种传感器的信息以及主控MCU供电状态等。针对其主、辅MCU通讯，采用SPI的问答机制，即相互向对方传递生命值(周期性的连续递增信号，从0到255后变为0)，以此判断对方是否工作正常，一旦主控MCU出现失效故障，系统将切换至安全状态，辅助MCU将接管主控MCU基本功能，并发出警报，安全降速下电，提示驾驶者危险不易再次使用，尽快维修。若辅助MCU故障，系统发出故障，只做警告，不影响驾驶行车，并提示驾驶者设备需要维修。此外，主控MCU和辅助MCU都有独立的供电电路，并且同时互相监测对方的供电情况。

本实用新型工作流程如图2所示，具体步骤如下：当系统启动后，主、辅MCU进行初始化，二者分别采集信号，并通过SPI问答机制交换数据及相互监控对方是否正常工作。当发现辅助MCU无生命信号，主MCU发出警告，提示驾驶者平衡车需要进行维修，但不影响平衡车正常运行；若二者都正常工作，则主控MCU时刻对比自身信号采集组件采集到的信号辅助MCU采集到的信号，如二者信号误差在10％之内认为合理，主控MCU程序正常运行，否则，发出警报，平衡车安全下电。若主控MCU无生命信号，则系统切换至安全状态，辅助MCU接管主控MCU基本功能，并发出警报，两轮平衡车安全下车。

Claims (4)

1.一种基于功能安全的两轮平衡车控制系统，其特征在于：包括供电组件、相互之间构成通讯连接的主控MCU和辅助MCU、及两组用于采集两轮平衡车姿态信息的信号采集组件；

所述供电组件包括三个分别用于向主控MCU、辅助MCU和信号采集组件供电的电源芯片；

所述主控MCU和辅助MCU均包括电源模块、信号采集模块、报警模块和控制信号输出模块；两组所述信号采集组件分别与主控MCU和辅助MCU的信号采集模块连接，所述主控MCU的信号采集模块还与辅助MCU对应的电源芯片连接，辅助MCU的信号采集模块还与主控MCU对应的电源芯片连接；所述主控MCU和辅助MCU的控制信号输出模块均与两轮平衡车的驱动电机连接。

2.根据权利要求1所述的基于功能安全的两轮平衡车控制系统，其特征在于：每组所述信号采集组件均包括一个陀螺仪、一个加速仪和一个光电编码器。

3.根据权利要求2所述的基于功能安全的两轮平衡车控制系统，其特征在于：还包括显示装置，所述显示装置分别与主控MCU和辅助MCU的报警模块连接。

4.根据权利要求3所述的基于功能安全的两轮平衡车控制系统，其特征在于：所述主控MCU和辅助MCU之间构成SPI通讯连接。