CN103183088B - 一种高精度调速前后自平衡独轮代步车 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通工具领域，公布了一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括车轮、轮毂电机、踏板、支架、可伸缩连杆、调速转把、驱动模块和电源模块，还包括控制模块、高精度测速模块和姿态测量模块。独轮代步车的速度通过转动右手把调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，前后方向上的平衡及速度控制，由姿态平衡控制量和速度控制量进行叠加得到的综合控制量经驱动模块驱动轮毂电机实现。本发明的速度测量模块由于增加了同轴齿轮和加速齿轮，使测速精度大大提高，解决了独轮车在低速运行时速度和位置信息测量精度难以满足要求的问题，实现了独轮代步车高精度的前后方向姿态自平衡控制和速度控制。

Description

一种高精度调速前后自平衡独轮代步车

技术领域

本发明属于交通工具领域，尤其涉及一种高精度调速前后自平衡独轮代步车。

背景技术

独轮车作为一种新兴的代步工具，具有体积小、成本低、使用便捷等优点，随着机器人技术应用水平的提高，对智能交通的要求也越来越高，对于自平衡独轮车的要求不仅停留在姿态平衡控制上，而是需要有高精度的稳定的速度控制。

申请号为200810179658.8的发明专利“前后向自平衡式电动车”，通过对独轮车前后方向上俯仰倾角和角速度的测量、补偿，对独轮车进行前后姿态平衡控制，但却未能对独轮车的速度进行控制。而作为一种交通工具，独轮车在实际应用时准确的速度控制是非常最重要的，这就对车体的精准测速提出了很高的要求。

通常对于电动车的速度测量采用霍尔传感器测速。霍尔传感器一般由霍尔元件和磁钢组成。霍尔是半导体磁敏器件，当霍尔元件和磁钢相对运动时产生信号脉冲，检测单位时间霍尔输出的脉冲数（频率），乘以车轮周长即可得到速度（米/秒）。根据磁性转盘上磁极数目，就可以确定传感器测量转速的分辨率。但由于磁极数量和霍尔元件数量的限制，车轮每转一周得到的脉冲数有限，当转速较低时，测速误差较大，很难满足速度控制的要求。

我们曾在2012年申请过一个名为“一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车”的专利，申请号为201210217335.X。专利中描述行走轮同轴连接驱动电机，行走轮测速编码器与行走轮同轴连接。首先，电机与车轮同轴连接的结构设计在使用时电机易受外界磕碰而损坏。另外，测速编码器直接与车轮同轴连接，由于测量精度直接受到光电脉冲编码器本身的分辨率以及内部码盘的分度精度的影响，而独轮代步车是一种低速运动工具，单位时间所产生的脉冲信号数量有限，因此，该发明虽然具有速度控制功能，但测速精度却难以满足高精度速度控制的要求。提高编码器的分辨率虽然可以减小测量误差，但成本往往是随分辨率的增加而成倍增加，在具体使用中受到很大的限制。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，为了既能实现独轮代步车良好的前后自平衡能力，又能在低成本的前提下实现良好的速度控制，本发明提供了一种高精度调速前后自平衡独轮代步车。

本发明涉及一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，代步车的速度通过转动右手把（内装线性霍尔调速部件）粗略调整，左右方向的平衡靠人自身的平衡能力控制，速度的精确控制及前后方向上的平衡由电气控制***完成，电气控制***的电路组成框图如图3所示。姿态测量模块分别测得独轮车的角加速度和角速度信息，反馈至控制模块得到姿态平衡控制量u_bal；轮毂电机驱动车轮上安装的速度测量模块测量代步车的车速，反馈至控制模块得到速度控制量u_v。将姿态平衡控制量u_bal和速度控制量u_v进行叠加融合，得到电机驱动的综合控制量u_D，通过驱动模块驱动轮毂电机，实现高精度的独轮代步车前后方向姿态自平衡控制和速度控制。

姿态平衡控制环节需根据姿态测量模块测得的俯仰角度和角速度信息对姿态倾角补偿。由于独轮车的姿态检测信号中不可避免地存在噪声信号，使积分器消除静态误差的同时产生控制误差，因此，PID控制中去掉积分环节，选用非线性PD算法控制。

姿态平衡控制量u_bal由非线性PD算法按下式得到：

$u_{\mathrm{bal}}\left(t\right)={\mathrm{PD}}_{\mathrm{bal}}\left(\mathrm{\θ}\right)=K_P^{\mathrm{bal}}\left(\mathrm{\θ}\right)+K_D^{\mathrm{bal}}\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)$

其中，PD_bal(θ)为姿态平衡的非线性PD控制器；为非线性比例参数；为非线性微分参数。

速度控制量u_v采用PID正反馈算法按下式得到：

$u_v\left(t\right)={\mathrm{PID}}_v\left(e_v\right)=K_P^v{e}_v+K_I^v\∫e_v\mathrm{dt}+K_D^v\frac{{\mathrm{de}}_v}{\mathrm{dt}}$

其中，是实际速度与期望速度v_D的差；PID_v(e_v)为速度控制器；为比例项，为正反馈，用于调节独轮车行进速度；为积分项，为正反馈，累积位移差形成的位移势能，这种位移势能不仅能消除速度静差，还可以保障复杂路面（包括坡道）行进时行进速度的平稳，另外使独轮车具备了突破障碍的能力；为微分项，为负反馈，用于消除***的自激和振荡。

在独轮车行进速度控制器PID_v(e_v)中，起主导作用的是比例项，其次是积分项，因此，PID_v(e_v)是一个正反馈器。

在独轮车的控制算法中，作用于电机的综合控制量u_D(t)由姿态平衡控制量u_bal和行进速度控制量u_v按下式叠加而成：

u_D(t)＝u_bal(t)+u_v(t)＝PD_bal(θ)+PID_v(e_v)

在u_D(t)中，姿态平衡控制器PD_bal(θ)占据主导地位，行进速度控制器PID_v(e_v)次之。独轮车的行进速度控制是通过其姿态平衡控制实现的。为了控制速度，正反馈的行进速度控制器PID_v(e_v)先放纵速度，导致独轮车前后姿态失衡，从而引发起主导作用的姿态控制PD_bal(θ)，使原本可能矛盾的速度和姿态θ控制转变为一致的控制问题，即独轮车统一叠加后的综合控制量u_D(t)能在控制姿态平衡的同时使行进速度稳定地跟踪期望速度v_D。

一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括：车轮，轮毂电机，踏板，踏板连接轴，支架，可伸缩连杆，调速转把，控制模块，驱动模块和电源模块。其特征在于，还包括：控制模块、速度测量模块和姿态测量模块。其中，

所述控制模块，安装在支架上槽内，用于产生电机的综合控制量u_D(t)。其核心控制器为一DSP芯片，包括捕获速度测量模块中编码器脉冲的捕获单元CAP_QEP，将调速转把输出的速度模拟信号转换为数字信号的ADC单元，产生综合控制信号u_D(t)（PWM脉宽调制波）的事件管理器EV单元，调试过程中与上位机通信（SCI协议）的异步串行通信接口单元和与接收姿态测量模块通信（SPI协议）的同步串行接口单元。

所述速度测量模块，安装在支架右侧槽内，用于精确测量电机的转速。包括：同轴齿轮a，加速齿轮b，光栅码盘和光电编码器。同轴齿轮a与轮毂电机中心轴同轴连接，同轴齿轮a与加速齿轮b啮齿，光栅码盘与加速齿轮b同轴连接。车轮转动时，带动同轴齿轮a同轴旋转，同轴齿轮a通过加速齿轮b带动光栅码盘与加速齿轮b同轴旋转，增量式光电编码器输出脉冲信息并送至控制模块。

增量式编码器利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相。A、B两组脉冲相位差90°，可方便地判断旋转方向；C相方波每转只有一个脉冲，用于基准点定位。

采用传统方法检测位置时，为了确定具体的相位，零位脉冲作为起始脉冲，通过对编码器输出脉冲采用简单的记数方式可得到被测角位移θ_M为：

${\mathrm{\θ}}_M=\frac{360M}{\mathrm{KZ}}$

其中，Z为编码器的分辨率，即每转一周产生的脉冲个数；M为脉冲编码器输出脉冲总数；K为编码器输出脉冲的倍频系数。

由θ_M的表达式可知，测量精度直接受到光电脉冲编码器本身的分辨率以及内部码盘的分度精度的影响。由于制造工艺和成本的限制，难以得到很高的分辨率，因此，分辨率成为影响测量精度的主要因素，尤其是对于运动速度较低的独轮车***影响更为严重。

为了提高光电码盘的分辨率，本发明在速度测量模块中增加了一个与轮毂电机中心轴同轴连接的同轴齿轮a，和一个与同轴齿轮a啮合、与光栅码盘同轴连接的加速齿轮b，其结构示意图如图4所示。在不改变码盘本身结构的提前下，本发明使光电码盘的分辨率提高到a/b倍（a、b分别为同轴齿轮a与加速齿轮b的齿数），使测速精度也提高到将近a/b倍。

所述姿态测量模块，由加速度计和陀螺仪组成，安装在支架上槽内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信息，并实时反馈给控制模块，经过滤波和计算处理后得到对代步车前后方向（俯仰角）进行平衡控制所需的、精确的角度和角速度信息。

本发明所具有的有益效果是：

本发明中的速度测量模块，在不增加成本的条件下，大大提高了速度和位置信息的测量精度，解决了独轮车在低速运行时因光电码盘分辨率不足造成的速度和位置信息测量精度难以满足要求的问题。结合姿态测量模块测得的角加速度和角速度信息，控制模块将速度控制量与姿态平衡控制量进行叠加融合得到电机驱动的综合控制量，实现了独轮代步车高精度的前后方向姿态自平衡控制和速度控制。

附图说明

图1为本发明所涉及的独轮车的机械结构示意图；

图2为本发明所涉及的电气控制***的结构示意图；

图3为本发明所涉及的电气控制***的电路组成框图；

图4为本发明所涉及的速度测量装置的结构示意图。

图中：1车轮，2踏板，3轮毂电机，4支架左侧槽，5支架右侧槽，6支架上槽，7可伸缩连杆，8转把连杆，9电源模块，10速度测量装置，11驱动模块，12控制模块，13姿态测量模块，14调速转把，15控制转把，16同轴齿轮a，17加速齿轮b，18光栅码盘，19增量式光电编码器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其机械结构示意图如图1所示，电气控制***的结构示意图如图2所示，电气控制***的电路组成框图如图3所示，包括：车轮（1）、轮毂电机（3）、踏板（2）、踏板连接轴、支架、可伸缩连杆（7）、调速转把（14）、驱动模块（11）、电源模块（9）。支架两侧轴孔与轮毂电机（3）的轴通过螺丝固定；踏板（2）与支架两侧下端轴孔通过踏板轴相连；可伸缩连杆（7）下端与支架上槽（6）前端连接，上端与转把连杆（8）连接；调速转把（14）套在转把连杆（8）右侧，调速转把（14）为一种线性调速部件，与控制模块（12）连接；转把连杆（8）左侧转把（15）上装有启动开关、喇叭和刹车；电源模块（9）安放在支架左侧槽（4）内；驱动模块（11）安装在支架右侧槽（5）内，一端与轮毂电机（3）连接，中间经过电流保护装置，另一端与控制模块（12）连接，接收控制模块（12）发出的控制信号。其特征在于，还包括控制模块（12）、速度测量模块（10）和姿态测量模块（13）。

控制模块（12），安装在支架上槽（6）内，用于产生电机的综合控制量u_D(t)。控制模块（12）选用南京傅立叶电子有限公司HDSP-Core2812核心板，该***的处理器采用TI公司TMS320F2812DSP，***为5V直流供电。

速度测量模块（10），安装在支架右侧槽（5）内，用于精确测量电机的转速。包括：同轴齿轮a（16），加速齿轮b（17），光栅码盘（18）和增量式光电编码器（19）。同轴齿轮a（16）与轮毂电机（3）中心轴同轴连接，同轴齿轮a（16）与加速齿轮b（17）啮齿，光栅码盘（18）与加速齿轮b（17）同轴连接。

姿态测量模块（13），选用ADI公司生产的ADIS16300四自由度惯性测量传感器，包括单轴陀螺仪和三轴加速度计，安装在支架上槽（6）内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信号。

为了保证代步车使用起来安全、耐用，本***支架、侧槽及踏板材料均采用优质钢材料。轮毂电机（3）选用永康市久久科技有限公司生产的电动车配套的轮毂电机，额定电压48v，额定功率1000w。驱动模块（11）为与之配套的1000w大功率控制器。电源模块（9）由48v和5v可充电锂电池构成，48v锂电池选用玮孚标准锂离子电池，标称电压：48V，工作范围：39V-54.6V，标称容量：10Ah。内置过充、过放、过流及短路保护和集成电量监控电路。5v可充电锂电池为控制器供电。

使用时可双脚踏在踏板上，根据个人身高调节手把连杆长度。双手握住转把，左手打开启动开关，调整车体，车体支架上槽（6）与地面平行，即俯仰角接近零度。***上电后，控制模块（12）对姿态测量模块（13）元件进行初始化。

转动右转把上的调速转把，给代步车一定速度要求（期望速度v_D），控制模块（12）结合速度测量模块中实时得到的速度信息，得到行进速度控制量u_v。将姿态平衡控制量u_bal与速度控制量u_v叠加，通过驱动模块（11）驱动电机，最终在姿态平衡中达到稳定的速度v_D跟踪控制。

以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，一切不脱离发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括：车轮(1)，轮毂电机(3)，踏板(2)，踏板连接轴，支架，可伸缩连杆(7)，调速转把(14)，驱动模块(11)，和电源模块(9)；其特征在于还包括：控制模块(12)、速度测量模块(10)和姿态测量模块(13)；其中，

所述控制模块(12)，安装在支架上槽(6)内，用于产生电机的综合控制量u_D(t)；其核心控制器为一DSP芯片，包括：捕获速度测量模块中编码器脉冲的捕获单元CAP_QEP，将调速转把(14)输出的速度模拟信号转换为数字信号的ADC单元，产生综合控制信号u_D(t)(PWM脉宽调制波)的事件管理器EV单元，调试过程中与上位机通信(SCI协议)的异步串行通信接口单元和与接收姿态测量模块(ADIS16300)通信(SPI协议)的同步串行接口单元；

所述速度测量模块(10)，安装在支架右侧槽(5)内，用于精确测量电机的转速；包括：同轴齿轮a(16)，加速齿轮b(17)，光栅码盘(18)和增量式光电编码器(19)；同轴齿轮a(16)与轮毂电机(3)中心轴同轴连接，同轴齿轮a(16)与加速齿轮b(17)啮齿，光栅码盘(18)与加速齿轮b(17)同轴连接；车轮(1)转动时，带动同轴齿轮a(16)同轴旋转，同轴齿轮a(16)通过加速齿轮b(17)带动光栅码盘(18)与加速齿轮b(17)同轴旋转，增量式光电编码器(19)输出脉冲信息并送至控制模块(12)；

所述姿态测量模块(13)，由加速度计和陀螺仪组成，安装在支架上槽(6)内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信息，并实时反馈给控制模块(12)，经过滤波和计算处理后得到对代步车前后方向(俯仰角)进行平衡控制所需的、精确的角度和角速度信息。

2.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述独轮代步车的速度通过转动右手把(内装线性霍尔调速部件)粗略调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，速度的精确控制及前后方向上的平衡，由控制模块(12)得到的综合控制量u_D(t)经驱动模块(11)驱动轮毂电机(3)实现。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述控制模块(12)得到的综合控制量u_D(t)由姿态平衡控制量u_bal和行进速度控制量u_v按下式叠加而成：

u_D(t)＝u_bal(t)+u_v(t)

姿态平衡控制量u_bal可由非线性PD算法按下式得到：

$u_{\mathrm{bal}}\left(t\right)={\mathrm{PD}}_{\mathrm{bal}}\left(\mathrm{\θ}\right)=K_P^{\mathrm{bal}}\left(\mathrm{\θ}\right)+K_D^{\mathrm{bal}}\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)$

其中，PD_bal(θ)为姿态平衡的非线性PD控制器；为非线性比例参数；为非线性微分参数；

速度控制量u_v采用PID正反馈算法按下式得到：

$u_v\left(t\right)={\mathrm{PID}}_v\left(e_v\right)=K_P^v{e}_v+K_I^v{\∫e}_v\mathrm{dt}+K_D^v\frac{{\mathrm{de}}_v}{\mathrm{dt}}$

其中，是实际速度与期望速度v_D的差；PID_v(e_v)为速度控制器；为比例项，为正反馈，用于调节独轮车行进速度；为积分项，为正反馈，累积位移差形成的位移势能，这种位移势能不仅能消除速度静差，还可以保障复杂路面(包括坡道)行进时行进速度的平稳，并使独轮车具备了突破障碍的能力；为微分项，为负反馈，用于消除***的自激和振荡；

在独轮车行进速度控制器PID_v(e_v)中，起主导作用的是比例项，其次是积分项，因此，PID_v(e_v)是一个正反馈控制器。

4.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述速度测量模块使光电码盘的分辨率提高到a/b倍，使测速精度也提高到将近a/b倍，a、b分别为同轴齿轮a(16)与加速齿轮b(17)的齿数。