兩輪自平衡車控制方法
【專利摘要】一種兩輪自平衡車控制方法，包括以下步驟：（1）初始化；（2）分別讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器的值以及編碼器的脈沖個數(shù)；（3）求取車體傾角、車把轉角、電機轉速和車速；（4）然后通過PID控制算法分別計算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；（5）將三個PWM值疊加在一起輸出給左、右電機；（6）接著發(fā)送陀螺儀、加速度計、車體傾角、電池電壓、電機電流和車速的數(shù)據(jù)給上位機，以監(jiān)控整車的運行狀態(tài)；（7）當監(jiān)控到電池電壓低于預設值、電機電流或者車速大于預設值時，則打開相應的LED警示燈；（8）當監(jiān)控到車體傾角大于預設角度時，就判定為車體跌倒，并停止運行，重新回到初始化程序當中。本發(fā)明采用更精確的運算方法。
【專利說明】兩輪自平衡車控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及兩輪自平衡車，尤其是兩輪自平衡車控制方法。
【背景技術】
[0002]自平衡電動車自動平衡運作原理主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”(DynamicStabilization)的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。以內置的精密固態(tài)陀螺儀(Solid-State Gyroscopes)來判斷車身所處的姿勢狀態(tài),透過精密且高速的中央微處理器計算出適當?shù)闹噶詈螅寗玉R達來做到平衡的效果。目前的平衡車允許使用者在騎行時隨意搖晃，其上的控制系統(tǒng)會自動進行驅動電機處理進行平衡修正；由于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的算法缺陷，導致驅動電機處理平衡修正的時間較長，使該種類型的自平衡車在使用時存在的風險較大。

【發(fā)明內容】

[0003]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:一種兩輪自平衡車控制方法，包括以下步驟:
[0004](I)兩輪自平衡車上電運行后，系統(tǒng)首先進入各初始化程序，包括鎖相環(huán)初始化、AD轉換初始化、定時器初始化、PWM初始化與和端口初始化；
[0005](2)然后延時Is等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，接著讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器初值，再延時Is等待參數(shù)變化；
[0006](3)程序設定了 Ims中斷函數(shù)，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期間同時進行；當Ims中斷產生時，則分別讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器的值以及編碼器的脈沖個數(shù)；
[0007](4)通過卡爾曼濾波來進行陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)融合濾波，求取車體傾角；通過轉角傳感器的值計算車把轉角；通過編碼器的脈沖個數(shù)計算電機轉速和車速；
[0008](5)然后通過PID控制算法分別計算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；
[0009](6)將三個PWM值疊加在一起輸出給左、右電機；
[0010](7)接著發(fā)送陀螺儀、加速度計、車體傾角、電池電壓、電機電流和車速的數(shù)據(jù)給上位機，以監(jiān)控整車的運行狀態(tài)；
[0011](8)當監(jiān)控到電池電壓低于預設值、電機電流或者車速大于預設值時，則打開相應的LED警示燈；當監(jiān)控到車體傾角大于預設角度時，就判定為車體跌倒，并停止運行，重新回到初始化程序當中。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所帶來的有益效果是:
[0013]本發(fā)明采用更精確的運算方法，使驅動電機處理平衡修正的時間更短，降低自平衡車在使用時存在的風險。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1為本發(fā)明控制流程圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合說明書附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0016]如圖1所示，一種兩輪自平衡車控制方法，包括以下步驟:
[0017]( I)兩輪自平衡車上電運行后，系統(tǒng)首先進入各初始化程序，包括鎖相環(huán)初始化、AD轉換初始化、定時器初始化、PWM初始化與和端口初始化；
[0018](2)然后延時Is等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，接著讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器初值，再延時Is等待參數(shù)變化；
[0019](3)程序設定了 Ims中斷函數(shù)，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期間同時進行；當Ims中斷產生時，則分別讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器的值以及編碼器的脈沖個數(shù)；
[0020](4)通過卡爾曼濾波來進行陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)融合濾波，求取車體傾角；通過轉角傳感器的值計算車把轉角；通過編碼器的脈沖個數(shù)計算電機轉速和車速；
[0021](5)然后通過PID控制算法分別計算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；
[0022](6)將三個PWM值疊加在一起輸出給左、右電機；
[0023](7)接著發(fā)送陀螺儀、加速度計、車體傾角、電池電壓、電機電流和車速的數(shù)據(jù)給上位機，以監(jiān)控整車的運行狀態(tài)；
[0024](8)當監(jiān)控到電池電壓低于預設值、電機電流或者車速大于預設值時，則打開相應的LED警示燈；當監(jiān)控到車體傾角大于預設角度時，就判定為車體跌倒，并停止運行，重新回到初始化程序當中。
[0025]相關值計算aa+=P_enc*enc_anglespeed*dt*0.001+(l_P_enc)*(acc_angle-angle) -J/ 傾角計算；
[0026]aa:陀螺儀與加速度計融合后得出的傾角；
[0027]P_enc:比例系數(shù)；
[0028]enc_angkespeed:陀螺儀的 AD 值；
[0029]dt:陀螺儀積分時間；
[0030]acc_angle:角速度 AD 值；
[0031]angle:傾角。
[0032]PWM_angle= (int) (pp*angle+D_angle*enc_anglespeed) ;// 直立 PWM 計算；
[0033]PP:比例系數(shù)；
[0034]D_angle:微分系數(shù)；
[0035]PWM_angle:直立 PWM 值。
[0036]PWM_turn= (int) (P_turn*turn) ;// 轉向 PWM 計算；
[0037]P_turn:轉向比例系數(shù)；
[0038]turn:轉向傳感器的AD值；
[0039]PWM_turn;轉向 PWM 值。
[0040]1、兩輪自平衡車各零部件參數(shù)設計及計算
[0041]單軸代步電動車參數(shù)設計主要是確定總體結構尺寸、質量參數(shù)、主要性能參數(shù)、電機額定參數(shù)、傳動比大小、電池容量大小等等。
[0042]1.1、整車結構參數(shù)
[0043](I)外廓尺寸
[0044]代步車注重的是便攜、靈活性，車體在地面投影面積與人的肩寬差不多。因此，初定整體外廓尺寸為長680mm,寬360mm,高1140mm,其中踏板高度為250mm。
[0045](2)輪距
[0046]對于代步車來說，輪距變化主要與影響到側傾剛度。增大輪距，有利于增加側傾剛度，橫向穩(wěn)定性好，但伴隨的是整車長度和質量的增加。因此，綜合考慮后選擇輪距為600mmo
[0047](3)質量參數(shù)
[0048]代步車質量占比最大的是鋰電池組、電機、減速器和車輪，質量越大，耗電越多，從而降低巡航里程。為了控制質量值，車體部分采用了桁架式結構，踏板和車外殼采用碳纖維結構，確保美觀同時最大限度減輕整車質量。
[0049]由于各部件的詳細質量不知道，整車整備質量無法精確獲得。但為了從節(jié)能環(huán)保、靈活輕便出發(fā)，整車整備質量初選為40kg,載質量為100kg。(4)主要性能參數(shù)
[0050]根據(jù)調查，一 般代步車最高車速為15_25km/h，從靜止加速到最高車速所用時間為2-5s，能爬上的最高坡度為15-30° ;因此確定單軸代步電動車動力性參數(shù)為:最高車速20km/h，加速時間3s，最大爬 坡度20°。由于代步車作為短程代步交通工具，車速不宜過高，否則容易造成不穩(wěn)定性，降低安全系數(shù)；加速時間是在車體允許的傾角下在平緩水泥路面連續(xù)加速到最高車速所用的時間，代步車反應靈敏，一般用很少時間就能達到高速運行狀態(tài)；代步車為平路使用較多，偶爾會遇到上坡情況，因而設定最大爬坡態(tài)度20°，以滿足不同人群的需求。
[0051]由于代步車左右電機均可獨立控制，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)轉向差速控制，因此最小轉彎半徑為零，機動靈活。
[0052]1.2、電機參數(shù)
[0053]代步車一切動作都是由電機完成，電機參數(shù)確定非常關鍵，必須選擇合適的電機來滿足整車使用要求。電機功率越大，動力性越好，但也伴隨著質量增加、體積增大、價格上升。因此，電機參數(shù)設計關鍵是確定電機的額定功率。
[0054]本文中的代步車以最高車速運行時為額定工況，所需功率:
【權利要求】
1.一種兩輪自平衡車控制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)兩輪自平衡車上電運行后，系統(tǒng)首先進入各初始化程序，包括鎖相環(huán)初始化、AD轉換初始化、定時器初始化、PWM初始化與和端口初始化； (2)然后延時Is等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，接著讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器初值，再延時Is等待參數(shù)變化； (3)程序設定了Ims中斷函數(shù)，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期間同時進行；當Ims中斷產生時，則分別讀取陀螺儀、加速度計和轉角傳感器的值以及編碼器的脈沖個數(shù)； (4)通過卡爾曼濾波來進行陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)融合濾波，求取車體傾角；通過轉角傳感器的值計算車把轉角；通過編碼器的脈沖個數(shù)計算電機轉速和車速； (5 )然后通過PID控制算法分別計算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值； (6)將三個PWM值疊加在一起輸出給左、右電機； (7)接著發(fā)送陀螺儀、加速度計、車體傾角、電池電壓、電機電流和車速的數(shù)據(jù)給上位機，以監(jiān)控整車的運行狀態(tài)； (8)當監(jiān)控到電池電壓低于預設值、電機電流或者車速大于預設值時，則打開相應的LED警示燈；當監(jiān)控到車體傾角大于預設角度時，就判定為車體跌倒，并停止運行，重新回到初始化程序當中。
【文檔編號】B62K11/00GK103529850SQ201310516158
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權日:2013年10月28日
【發(fā)明者】姜立標, 翟偉良, 姜思羽, 張可然, 趙譽洲, 梁啟麟, 梁俊, 楊劍 申請人:華南理工大學廣州學院