一种差速转向控制的电动四轮滑板的制作方法

本发明涉及一种差速转向控制的电动四轮滑板。

背景技术：

市场上常见的电动滑按控制方式可以分为手持遥控控制类以及重心控制类，按驱动方式可以分为外置皮带电机类以及轮毂电机类。对于现有的重心控制类电动滑板，在用户操作电动转向时，其需要通过左倾或右倾来控制，此时滑板与地面不再平行，有一定的倾斜角度，两个轮毂电机分为转向内侧和转向外侧两个电机，由于转弯半径不同，两个轮毂电机不应该具有相同的转速，也就不应该拥有相同的动力输出。该情况予下，外侧轮毂电机动力不足，造成滑板整体旋转半径很大，而内侧轮毂电机受内侧轮与地面摩擦力增加的作用被迫作低速运转，一方面能量平白损失在热能上，另一方面长期以往对轮毂电机本身损伤很大。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种差速转向控制的电动四轮滑板，减小滑板转弯半径，减小电能损坏。

技术方案：包括滑板主体和四个转轮，位于所述滑板主体后部的两个所述转轮上安装有轮毂电机；所述滑板主体的板面上固定有四个双臂电桥式压力检测器，其中两个所述双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在板面的前部，另外两个所述双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在板面的后部；在板面几何中心的安装有陀螺仪传感器，还包括控制器，所述控制器连接所述两组双臂电桥式压力检测器、陀螺仪传感器以及所述轮毂电机；所述控制器包括速度控制模块和差速转向辅助模块，所述速度控制模块根据所述板面前部和后部的双臂电桥式压力检测器输出的差值控制所述轮毂电机加速或减速运行；所述差速转向辅助模块根据所述陀螺仪传感器输出的横滚角值判定用户转向意图，所述差速转向控制模型的控制目标为转向外侧的轮毂电机转速大于转向内侧的轮毂电机转速，所述转向外侧的轮毂电机与转向内侧的轮毂电机转速差值与所述横滚角值呈正相关。

进一步的，所述双臂电桥式压力检测器包括上面板、下面板、两个带悬臂梁的应变式压力传感器、电路板；所述应变式压力传感器包括压力回字形框体，位于所述回字形框体内侧的悬臂梁，所述回字形框体与所述悬臂梁处于同一水平面，所述悬臂梁与所述回字形框体连接部贴有电子应变片；所述下面板上设有两个平行设置的第一凹槽，所述第一凹槽内还设有第二凹槽；所述应变式压力传感器嵌入所述第一凹槽内，所述悬臂梁位于所述第二凹槽上方；所述上面板内侧面固定有两个压块，所述上面板盖合在所述下面板上，所述压块分别贴合在所述应变式压力传感器的悬臂梁上；所述电路板设置在由所述上面板和下面板相对形成的腔体内，并位于所述两个带悬臂梁的应变式压力传感器中间，所述电路板连接所述电子应变片。

进一步的，所述悬臂梁为倒“山”字形结构，包括与所述回字形框体连接的“t”字形主梁，以及连接所述“t”字形主梁的两根长条形副梁，所述两根长条形副梁关于所述“t”字形主梁对称设置，所述副梁悬空端设有盲孔或通孔，所述压块上设有四个凸起，所述凸起分别嵌入所述盲孔或通孔中。

进一步的，所述差速转向控制模型采用机器学习方法建立，包括如下具体步骤：

步骤1：获取训练数据：操控电动滑板做转向试验，转向时控制输出到两个轮毂电机的转速相同并采用开环控制，通过霍尔传感器采集转向外侧的轮毂电机的转速s1和转向内侧的轮毂电机转速s2以及所述陀螺仪传感器输出的横滚角θ，设定所述转速差值目标逼近值diffspeed为实际转速差值的1～2倍；

步骤2：使用线性逼近模型进行参数训练，所述线性逼近模型为：

diffspeed＝w0+w1*s1+w2*s2+w3*θ

式中，w0、w1、w2、w3为模型参数；

使用均方误差来估计模型当前参数误差err：

err＝(real_diffspeed-diffspeed)^∧2

式中，real_diffspeed为实际转速差值，real_diffspeed＝s1-s2；

使用梯度下降法作为训练方法，进行权值更新，即：

式中，wi为各个权值参数当前值，wi′为各个权值参数更新值，μ为学习速率；

将所述线性逼近模型输出值diffspeed输入到所述速度控制模块，在进行差速转向控制时，控制所述转向外侧的轮毂电机当前转速增加所述diffspeed值，控制所述转向内侧的轮毂电当前机转速减小所述diffspeed值。

进一步的，所述控制器还包括上下坡辅助控制模块，所述上下坡辅助控制模块根据所述陀螺仪传感器输出的俯仰角值判断滑板处于上坡或下坡时，输出功率补偿值adp与所述pid控制器输出作和后输入到轮毂电机，所述输出功率补偿值adp计算方法为：其中w为用户体重。

进一步的，所述双臂电桥式压力检测器以及陀螺仪传感器输出端设有滤波模块。

进一步的，采取乒乓操作，在每一次双臂电桥式压力检测器循环采样之中依次仅读取一个传感器的数值。

有益效果：本发明的一种差速转向控制的电动四轮滑板，加入差速转向控制，从而减小了转弯半径，提升安全性和便利性，并减少轮毂电机无法达到额定转速带来的电机损耗，延长产品的整体使用寿命。

附图说明

图1为四个双臂电桥式压力检测器分布示意图；

图2为控制系统结构示意图；

图3为差速转向控制模型的建立与使用原理示意图；

图4为上下坡补偿之后的动力输出和原动力输出的对比如图；

图5为实施例中进行参数调整步骤获得的矩阵数据表示在二维坐标中示意图；

图6为根据重心倾斜百分比进行加减速控制原理示意图；

图7为双臂电桥式压力检测器主视剖面示意图；

图8为双臂电桥式压力检测器整体左视图；

图9为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的视剖面示意图；

图10为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的左视图；

图11为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的俯视图；

图12为双臂电桥式压力检测器的下面板剖面示意图；

图13为双臂电桥式压力检测器的下面板左视图；

图14为双臂电桥式压力检测器的下面板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种后轮驱动型电动四轮滑板，包括滑板主体和四个转轮，位于滑板主体后部的两个转轮上安装有轮毂电机，轮毂电机上安装有检测转速的霍尔传感器。如图1所示，滑板主体的板面上固定有四个双臂电桥式压力检测器，每个双臂电桥式压力检测器包括两个由应变片构成的桥式压力检测电路，其中两个双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在板面的前部，另外两个双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在板面的后部，在板面几何中心还安装有陀螺仪传感器。滑板主体上安装有控制器，控制器连接两组双臂电桥式压力检测器、陀螺仪传感器、轮毂电机以及霍尔传感器，如图2。控制器包括速度控制模块，速度控制模块根据板面前部和后部的双臂电桥式压力检测器差值控制轮毂电机加速或减速运行。

如图7、图8所示，双臂电桥式压力检测器由上面板1、下面板2、两个带悬臂梁的应变式压力传感器3、电路板4组成。上面板1和下面板2为铝合金材料，并在相对内侧涂覆绝缘漆。应变式压力传感器3包括压力回字形框体31，位于回字形框体31内侧的悬臂梁32，回字形框体31与悬臂梁32处于同一水平面。回字形框体31和悬臂梁32均为硬铝材质，并在上下表面涂覆绝缘漆，悬臂梁32与回字形框体31连接部贴有电子应变片33。其中，悬臂梁32为倒“山”字形结构，包括与回字形框体31连接的“t”字形主梁321，以及连接“t”字形主梁321的两根长条形副梁322。两根长条形副梁322关于“t”字形主梁321对称设置，副梁322悬空端设有盲孔或通孔323。

如图12-图14所示，下面板2上设有两个平行设置的第一凹槽21，第一凹槽21内还设有第二凹槽22。如图9-图11所示，应变式压力传感器3嵌入第一凹槽21内，悬臂梁32位于第二凹槽22上方。回字形框体31尺寸与第一凹槽21一致，并用胶水粘贴在第一凹槽21内。上面板1内侧面固定有两个压块11，压块11上设有四个凸起111。上面板1盖合在下面板2上，压块11分别贴合在应变式压力传感器3的悬臂梁32上，凸起111分别嵌入各副梁322端部的盲孔或通孔323中。在安装前，在压块11表面涂覆胶水，用于能够粘贴在悬臂梁32表面。

位于两个带悬臂梁的应变式压力传感器3中间的下面板2上设有电路板4的安装限位条23，并在下面板2上设有用于所述电路板4接线引出的开口。电路板4设置在由上面板1和下面板2相对形成的腔体内，并位于两个带悬臂梁的应变式压力传感器3中间，电路板4连接电子应变片33。

当上面板1受力时，压力完全传导到悬臂梁32一端，使得悬臂梁32与回字形框体31有相对弯曲，带动电子应变片33形变产生电信号实现压力量与电子量转换。该转换关系为非线性关系，随生产过程有细微差异。回字形框体31和悬臂梁32的材料为硬铝，特点在于抗金属疲劳性高，在量程范围内，力臂一端弯曲垂直高度小于0.5mm。

将压力数据的a/d转换，稳压，滤波等工作在电路板中完成，并将电路板封装在双臂电桥式压力检测器中，由三根线组成的排线引出，双臂电桥式压力检测器可以直接接入数字电路中使用，大大增加该模块的通用性，降低外部电路的设计复杂度。

现有的悬臂梁式应变片压力传感器用于检测时具有如下缺点：受力点有严格规定，必须要在悬臂梁的一端平面上，当多个传感器共同使用时，一旦受力点有所不一致，导致力臂长度有所区别，各个传感器需要单独调试，极为费时费力。受力时，悬臂梁会有明显弯曲，当悬臂梁弯曲后一旦触碰到受压力面，则力会被传导，无法精确测出。

本发明的双臂电桥式压力检测器进行了模块化设计，模块外表面平整，可以直接贴合在任意平面上使用，且不需要单独测量调零等工作。内部电路可以直接外接到单片机上就可以得到经过滤波、模数转换之后的精确压力测量值，使用大大方便。具体的：

下面板2上的第一凹槽21用于对带悬臂梁的应变式压力传感器3起限位作用，方便安装压力传感器3。当压力传感器3装入第一凹槽21中后，用胶水将回字形框体31和凹槽固连。第一凹槽21中有第二凹槽22，大小正好与应变片的悬臂梁32一致，给悬臂梁32留下了向下弯曲的空间，用于避免悬臂梁32在上下弯曲时接触底面导致检测数据不准。

在与压力传感器3的悬臂梁32受力点处对应有两块大小完全一致的凸起压块11，压块11用于紧压在悬臂梁32上，其通过胶水和应变片传感器固连。该压块11具有两个作用：1、确保压力完全承载在应变片传感器的悬臂梁32。2、使得上面板1和下面板2之间具有一定高度缝隙，内部可以放置电路板，并且应变片上部可以走线。压块11上有两凸起111，用于插入悬臂梁32上的对应的盲孔或通孔323中，在安装时凸起111可以起到对准限位的作用，方便安装。

在电动四轮滑板控制器上电时，为了避免双臂电桥式压力检测器在不同环境下初始值不同，首先测量各双臂电桥式压力检测器的初始值，进行10次测量，延迟100ms，取平均值作为双臂电桥式压力检测器的初始值。当检测到四个双臂电桥式压力检测器之和减去双臂电桥式压力检测器的初始值之和的差值大于设定阈值时，判定用户已经站在滑板上了。

为了减小滑板的转向半径，增强用户的使用体验，减少滑板能量浪费，增强续航时间、减少电机损耗，加强电动滑板的使用年限。控制器还包括差速转向辅助模块，差速转向辅助模块根据陀螺仪传感器输出的横滚角值判定用户转向意图，即在通过陀螺仪检测到横滚角超过设定阈值时，即判定用户需要进行转向控制。横滚角值输入差速转向控制模型，差速转向控制模型的控制目标为转向外侧的轮毂电机转速大于转向内侧的轮毂电机转速，转向外侧的轮毂电机与转向内侧的轮毂电机转速差值与横滚角值呈正相关。

如图3所示，差速转向控制模型采用机器学习方法建立，包括如下具体步骤：

步骤1：获取训练数据：操控电动滑板做转向试验，转向时控制输出到两个轮毂电机的转速相同并采用开环控制，通过霍尔传感器采集转向外侧的轮毂电机的转速s1和转向内侧的轮毂电机转速s2以及陀螺仪传感器输出的横滚角θ，设定转速差值目标逼近值diffspeed为实际转速差值的1～2倍。

步骤2：使用线性逼近模型进行参数训练，所述线性逼近模型为：

diffspeed＝w0+w1*s1+w2*s2+w3*θ

式中，w0、w1、w2、w3为模型参数。

该模型的训练方式如下：首先不对滑板的左右轮毂电机进行差速处理，即当用户左右倾斜造成滑板悬架旋转，仍然给与左右轮毂电机相同的电压输出并不对电机做闭环控制，训练中使用摩擦系数大的橡胶材料使得在转向中轮胎表面与地面的相对滑动极小，在此情况下滑板转向内侧的轮毂电机由于阻力矩的作用无法达到额定转速而转向外侧的轮毂电机不受影响，基于如上假设和试验条件，因为外侧电机需要加大转速而内侧电机应该减小转速，本实施例设定此时采样到左右轮毂电机速度差值的两倍为模型的逼近目标值。

本实施例中采样获得的部分数据如下表所示：

表1

使用均方误差来估计模型当前参数误差err：

err＝(real_diffspeed-diffspeed)^∧2

式中，real_diffspeed为实际转速差值，real_diffspeed＝s1-s2；

使用梯度下降法作为训练方法，进行权值更新，即：

式中，wi为各个权值参数当前值，wi′为各个权值参数更新值，μ为学习速率；

将线性逼近模型输出值diffspeed输入到速度控制模块，在进行差速转向控制时，控制转向外侧的轮毂电机当前转速增加diffspeed值，控制转向内侧的轮毂电当前机转速减小diffspeed值。从而减小了转弯半径，提升安全性和便利性，并减少轮毂电机无法达到额定转速带来的电机损耗，延长产品的整体使用寿命。

在电动滑板的日常使用中，虽然大部分的使用环境是在平地上，但是使用过程之中不可避免地会遭遇上下坡、减速带等非平地路况，显然对于不同的路面条件，应该动态调整电机的动力输出达到适合于路况的用户体验。具体控制为：

控制器还包括上下坡辅助控制模块，上下坡辅助控制模块根据陀螺仪传感器输出的俯仰角值判断滑板处于上坡或下坡时，输出功率补偿值adp与速度控制器采用的pid控制器输出作和后输入到轮毂电机，输出功率补偿值adp计算方法为：其中w为用户体重。

上下坡辅助控制模块的控制原理是，通过对于陀螺仪传感器数据的获取，感知滑板的倾斜角度，进一步可以判断当前是出于何种路况信息，处于上坡还是下坡，以及当前路况倾角如何。对于动力输出的调整，在上坡时加大滑板输出以获得更大的爬坡动力，下坡时相应减少使得下坡时滑板运行更加平稳安全。根据斜面上的物体受力模型分析可知，倾斜角度的斜面上对于斜面上的正压力正比于物体重力，比例系数为增加了上下坡补偿之后的动力输出和原动力输出的对比如图4所示。

各用户在使用四轮电动滑板时，其操作习惯不尽相同，主要体现在对于加减速控制时的姿态幅度控制。虽然四组传感器对于压力的单位和灵敏程度都相同，但是不能保证用户踩上之后对于每组传感器都有相同的压力反应，举例来说，当用户平稳站在滑板上，即使没有前倾左倾右倾后倾这些情况，由于脚掌和脚跟的差异，使得双臂电桥式压力检测器a1与双臂电桥式压力检测器a4，或者双臂电桥式压力检测器a2与双臂电桥式压力检测器a3这两对传感器的数值必不完全相同，而且对于不同使用习惯的用户来说，这样的差异也有所不同。为了避免用户因不同使用习惯导致滑板出现加减速突变的问题，对于新用户首次使用时进行参数调整步骤，并将调整后的参数存储在控制器的非易失性存储器中，当用户下次使用时不用重复该参数调整步骤。具体的：

用户两脚一前一后横踩在板面上，前脚横踩在前部的两个双臂电桥式压力检测器上，后脚横踩在后部的两个双臂电桥式压力检测器上。设定四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜姿态时均定义为前倾加速状态，设定四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左后倾斜、后倾斜、右后倾斜姿态时均定义为后倾减速状态，设定四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左倾斜、直立、右倾斜姿态时均定义为直立匀速状态。控制器包括重心倾斜百分比调整模块，重心倾斜百分比调整模块执行参数调整步骤具体包括：

步骤1：控制轮毂电机转速为零，采集用户形体分别做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜、左倾斜、直立、右倾斜、左后倾斜、后倾斜、右后倾斜共九个姿态时的四个双臂电桥式压力检测器的输出值，并标定前倾加速状态的重心倾斜百分比为100％，标定直立匀速状态的重心倾斜百分比为0％，标定后倾减速状态的重心倾斜百分比为-100％。以上九个姿态分别保持1～2秒，步骤中也对双臂电桥式压力检测器取多次输出的平均值。

步骤2：根据步骤1采集到的四个双臂电桥式压力检测器的输出值，分别计算九个姿态时前后倾斜压力差pfb和左右倾斜压力差plr，计算方法为：

前后倾斜压力差pfb＝(x1+x4)-(x2+x3)

左右倾斜压力差plr＝(x1+x2)-(x4+x3)

其中，x1为板面左前部的双臂电桥式压力检测器输出值，x2为板面左后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x3为板面右后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x4为板面右前部的双臂电桥式压力检测器输出值。本实施例中，测试得到的九组双臂电桥式压力检测器输出数据为：

将前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据在二维坐标中显示出来，如图5所示，可以发现并不是一份规则分布的情况。

步骤3：为了获得滑板运行时任意时刻用户的倾斜程度，根据步骤2得到的前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据，利用最小二乘法拟合平面z＝a*pfb+b*plr+c，其中a、b、c为平面拟合参数。

步骤4：在电动滑板前进时，将四个双臂电桥式压力检测器实时输出的x1、x2、x3、x4值输入步骤3得到的模型中，模型输出z值的值域是-1到+1之间，即一个重心倾斜的度量，将模型输出值转化为百分比即为重心倾斜百分比，表示用户的重心倾斜程度。

如图6所示，本电动滑板的速度控制模块采用pid控制器，当重心倾斜百分比调整模块输出的重心倾斜百分比大于设定阈值a时，控制轮毂电机转速增加，直至重心倾斜百分比恢复到阈值a以下；当重心倾斜百分比调整模块输出的重心倾斜百分比小于设定阈值b时，控制轮毂电机转速减小，直至重心倾斜百分比恢复到阈值b以上。其中阈值a和阈值b的绝对值可以设置为相同，一般取5％～10％。当重心倾斜百分比位于阈值a～阈值b之间时，认为用户希望进行匀速行驶。控制加速和减速时，根据目标量进行加速或减速，目标量有用自行控制速度，过程可以采用匀加速和匀减速控制。

本发明中，双臂电桥式压力检测器以及陀螺仪传感器输出端设有滤波模块，单个双臂电桥式压力检测器的读取事件大概在100ms左右，由于有着四个双臂电桥式压力检测器，导致每一次读取需要花费400ms，对于滑板的控制频率大概在2hz左右，响应延迟约为500ms。为了提高读取速度，采取乒乓操作，在每一次循环之中仅仅读取一个双臂电桥式压力检测器的数值，将响应控制在原本的四分之一，同时使用控制核心中的定时器功能，设定每10ms执行一次速度更新，这样控制频率就提升到了100hz，响应速度大大增加，用户体验更为细腻。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。