专利名称：智能自平衡电动车及其方向控制杆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动车领域，具体涉及一种智能自平衡电动车及其方向控制杆。
背景技术：
随着科学技术的发展，电动车以其操作简单、使用方便灵活的特性，成为了大多数人的出行所选择的代步工具。目前市面上的两轮电动车，主要有以下不足I、其车轮多为前后分布，运行中只能靠驾驶者自身来保持平衡，一旦驾驶者失去平衡，就容易造成危险；2、方向控制杆和车体支脚分开设置，其生产厂家需要同时制造控制杆和车支脚，且需要对车支脚的位置进行设计；3、耗电量大，导致电池利用率低，不够环保。这种传统的电动车已经不能满足人们对代步工具的要求，一种能够通过车身自平衡、使用更加方便、环保的代步工具的出现，成为了必然。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种智能自平衡电动车，运行过程中，通过能够自动保持车身平衡。本实用新型要解决的另一个技术问题是提供一种所述智能自平衡电动车的方向控制杆，所述方向控制杆将传统方向控制杆和车支脚两种功能融合在一起。相应的，本实用新型采用如下技术方案实现一种智能自平衡电动车，包括(I)横向布置的两个车轮，与各自的驱动电机相连接，所述的车轮被横向固定在车轴上，所述的车轴连接有绕车轴自由转动的载人踏板，车轮、车轴和载人踏板相互固定连接成一整体；(2)横梁，所述横梁的左右两侧安装有把手，左、右把手与横梁之间分别装有压力传感器；(3)立杆，所述立杆底部与载人踏板相连，顶部与横梁相连接；(4)智能平衡控制装置，所述的智能平衡控制装置，包括传感器采集系统、左电机驱动系统和右电机驱动系统，传感器采集系统输入端与压力传感器和车身的电流、电压、力口速度等传感器相连，左电机驱动系统与左电机相连，右电机驱动系统与右电机相连。所述的智能平衡控制装置还包括主控单片机、CPLD模块、电源电路，传感器采集系统的输出端与主控单片机输入端相连，主控单片机与CPLD模块之间双向连接，CPLD模块输出端分别与左电机驱动系统和右电机驱动系统相连，所述的智能平衡控制装置能够对车体的速度、方向进行调整，实现 车身自平衡。所述传感器采集系统，包括A/D采集模块，其作用为对外部的电压、电流、压力、力口速度等传感器信号进行实时采集，再将所采集到的位置和状态信号传送给主控单片机进行分析处理。所述的主控单片机，使用4个IO 口与传感器采集系统进行数据总线通信，其作用为对传感器采集系统传送的数据的提取、运算、分析和控制，并及时传送到CPLD模块中，主控单片机同时接收CPLD模块实时检测的电机霍尔状态。所述CPLD模块，一方面与左、右电机驱动系统连接，一方面与主控单片机相应管脚连接，其作用为接收经主控单片机计算得出的电机控制的方向、相位和PWM数据，并将数据由12路IO 口同时输出，进而对电机进行相位变换；同时，CPLD模块与左、右电机的霍尔信号采集端相连，实时采集电机的霍尔状态，并传送给主控单片机进行处理。所述的左、右电机驱动系统，电机控制采用三相桥式控制电路，每个系统设置6个大功率MOS管，每个MOS管各需要一路的控制信号，左、右电机驱动系统共需12路IO控制 信号，均与CPLD模块相应管脚相连，由CPLD模块对其进行多路、并发控制。所述智能自平衡电动车，通过对其自身的速度及倾斜角度进行控制和调整，进而达到控制车身平衡的目的。对于平衡车的速度检测，常用方案如在智能平衡控制装置中加入编码器或加入线性霍尔，通过对编码器计算或对线性霍尔进行AD采集计算出速度值，再进一步计算出速度值，这在一定程度上增加了硬件成本，增加了信号连接也必然会降低整车的可靠性，而且必须有额外的空间来安装这些器件，增加了便携式设备的重量及大小，也增加了正常运行中的功耗。本发明中直接采集电机内部霍尔的方法计算速度。霍尔的测量是电机转动必须测量值，因此只需要一次测量霍尔状态，一方面用于控制电机转动，另一方面用于速度采集。所述速度检测与计算，通过CPLD模块引脚与电机霍尔信号采集端相应引脚相连，实时采集引脚电平，电机在运转时，引脚的电平会有规律的变化，组合成不同的数据，控制电机的换相，同时，当霍尔值变化时主控单片机定时器开始计时，当下一次霍尔值改变时，读取这个计数值，并清空计时器，开始下一次计数，然后根据两个霍尔点的距离L，和根据计时器得到的时间t，根据公式就可得出在微观状态下的速度值V=L/t;由于在微观的情况下，数值扰动一点就会影响很大，所以，需要对其进行一阶滤波，V=V2^V1* (I-K)其中Vl为上次滤波后的值,V2为本次计算出的值,V是本次滤波后的速度值,K为滤波系数(K的范围是(0，1))。修正后，得到比常规的对霍尔点计数的方法更准确的速度值，精度可以达到使用编码盘的效果。所述车身倾斜角度的检测与计算，一般采用陀螺仪值进行计算，但所述陀螺仪受温度影响较大，易产生零点漂移，因此本实用新型采集温度传感器的数据，用于修正陀陀螺仪的零点，对采集到的陀螺仪值进行积分，可以得到车体倾斜的角度值。所述陀螺仪值只在短时间内准确，而加速度计值在长时间内准确，所以本实用新型采用水平加速度的值来修正陀螺仪的值首先使用加速度传感器的重力效应，得到一个准确的静止时的车体在垂直方向上倾斜的角度值，但当车体在行驶的过程中，加速度传感器采集到的角度值是一个水平和垂直方向上的合加速度，为了得到垂直方向的倾斜角度，就需要先计算出水平方向
dV
的加速度；因为车体在水平方向运动，在水平方向产生了一个速度，所以根据公式ο=γ，
dt
对水平速度进行微分，就得到当前时刻的水平加速度值，对陀螺仪的值进行修正后，进而得到相对准确的角度值。所述智能自平衡电动车为保证驾驶者的安全性，对速度进行智能限速处理，即根据电机和车体参数，在程序中设置速度的最高值Vmax，使其在满足速度的要求的下，又使速度留有一个的安全空间，使其永远不会达到车体的极限值。当驾驶者驾驶速度已经达到限定的最大值时，车体通过留有的安全空间，在安全空间内增加一定的电机驱动力，使车体在行驶中有个加速的过程，而驾驶者由于惯性，滞后车体的变化，产生一个向后的拉力。根据传感器和速度的反馈，使车体产生减速的效果，车体达到新的速度平衡。实际测试中，安全空间内的加速过程，时间短，幅度小，驾驶者几乎感觉不到，这种方法比常用的直接限速调整，更加安全和舒适，所述智能自平衡电动车的载人踏板上还设有质量传感器，质量传感器的另一端与传感器采集系统输入端相连，能够对不同驾驶者体重进行检测，智能调控电机的功率，提高驾驶者的舒适度，提高电池的利用率。当驾驶者站立在车体上时，车体在保持平衡的同时自 动检测驾驶者的体重，然后根据检测值，调整PID调节中的P(比例相)参数，控制电机的输出力矩，当驾驶者体重较重时，通过增大P的值来增大电机的输出力矩，反之，则减小P的值来减小电机的力矩，动态调整参数，增加驾驶者的舒适度，提高电池的利用率。本实用新型的智能自平衡电动车，主要有以下有益效果I、本实用新型智能平衡车的智能平衡控制装置较传统平衡控制装置，采用能够多路、并发控制的驱动控制芯片，结合简便的速度信号采集方案，将多路的控制信号时间差控制在纳秒级，提升了运算效率，缩短运行时间，降低成本，更大提高了系统的稳定性；2、所述智能自平衡电动车采用了智能限速处理，对运动过程中的最大速度进行限制，并留有一定的上升空间，为驾驶者的安全性和舒适性提供一定保证；3、所述智能自平衡电动车能够对不同驾驶者体重进行检测，智能调控电机的功率，提高驾驶者的舒适度，提高电池的利用率。4、所述智能自平衡电动车架构简单、操作方便，运动过程中能够自动保持平衡，t匕较适合大型场所，飞机场，高尔夫球场，警察巡逻等相关人员的使用。一种所述智能自平衡车的方向控制杆，由立杆和横梁组成，所述立杆包括固定杆和升降杆，升降杆一端与横梁连接，固定杆一端与车体活动连接，所述方向控制杆上设有能够使升降杆升降的装置。所述方向控制杆，其横梁可以设计成多种形状，如三角形、矩形等，不论采用哪种形状，方便驾驶者控制方向即可。所述方向控制杆，升降杆和立杆的横截面可以设计成多种形状，如圆角矩形、圆柱形等，不论采用哪种形状，有利于增大其横截面积即可。优选地，所述能够使升降杆升降的装置可以是一个“ Ω ”形的中环，升降杆插到中环内，固定杆上设有紧固螺杆，紧固螺杆与固定杆内的“Ω”形中环相连，旋转紧固螺杆可带动中环抱紧或放松固定杆，中环放松固定杆时，升降杆下端从固定杆穿出直至接触地面，起到车支脚的作用。优选地，所述平衡车方向控制杆，固定杆的下端采用弯折接头与车体连接，弯折接头上设置有锁扣，打开锁扣，控制杆可以任意角度横向倾倒，倾倒后，横梁成为提携车辆的拉手，可方便携带。[0037]需要说明的是，固定杆的下端与车体的连接可以采用多种方式，并不局限于采用弯折接头连接。所述智能自平衡电动车的方向控制杆一个装置完成了两个装置的功能，既能起到控制方向的作用，下放时还能起到车支脚的作用，操作简单，降低了生产成本，且横向倾倒后的方向控制杆缩小了空间，便于存放在各种场合和置入汽车后备箱内。
图I是智能自平衡电动车方向控制结构图图2是智能自平衡电动车的智能平衡控制装置的整体结构图图3是智能自平衡电动车的智能平衡控制装置的集成电路图图4是所述智能自平衡控制装置的传感器采集系统的引脚示意图图5是智能自平衡电动车的倾斜角度算法流程图图6是所述智能自平衡控制装置的右电机驱动系统与CPLD模块连接的引脚示意图图7是所述智能自平衡控制装置的霍尔信号采集的引脚示意图图8是本实用新型方向控制杆实施例作为车支脚时的结构图图9是本实用新型方向控制杆实施例横向倾倒后的结构图
具体实施方式
如图I所示，本实用新型方向控制部分包括立杆6、横梁3、左把手2、右把手4，在左、右把手与横梁之间，分别装有左压力传感器I和右压力传感器5。左把手2和右把手4可以带动方向杆左右摆动，进而协助驾驶者保持平衡。左压力传感器I和右压力传感器5能够检测左、右把手的压力值，并将其传送给主控单片机，由主控单片机进行数据分析，控制平衡车的左右转向，提高方向控制的稳定性。本实用新型智能自平衡电动车还包括智能平衡控制装置，如图2、图3所示，其由传感器采集系统8、主控单片机7、CPLD模块9、左电机驱动系统11、右电机驱动系统10、电源电路组成，传感器采集系统8的输出端与主控单片机7输入端相连，主控单片机7与CPLD模块9之间双向连接，CPLD模块9输出端分别与左电机驱动系统11和右电机驱动系统12相连，对车体的速度、方向、安全进行调整，实现车身自平衡。工作流程如下传感器采集系统8对电压、电流、压力、加速度等信号传感器进行实时采集，再将所采集到的位置和状态信号传送给主控单片机进行分析处理。主控单片机7通过传感器采集系统8传过来的位置和状态信号，进行计算，得出电机控制的方向、相位和PWM数据，并及时传送到CPLD模块9中，CPLD模块9对电机控制的方向、相位和PWM数据进行处理，然后由12路IO 口同时输出相应的时序信号，及时更新状态信息，以便对电机12和13进行相位变换。主控单片机7同时接收CPLD模块9实时检测的电机霍尔状态。，如图4所示，传感器采集系统8的管脚DOUT、BUSY、DIN、DLK分别与主控芯片的DOUT, BUSY、DIN、DLK相连，组成一个简易的SPI总线通信，传感器采集系统8的I到8引脚为8个传感器输入脚，分别接相应的传感器。初始时，主控单片机7通过总线写入传感器采集系统8的工作模式、采样精度、等命令字，当传感器采集系统8的管脚BUSY端显示空闲时，可通过总线写入相应的通道地址，再读取此通道地址的传感器数据，并由主控单片机7对数据进行计算分析，得出左电机12、右电机13控制的方向、相位和PWM数据。如图6所示，是右电机驱动系统10与CPLD模块连接的引脚示意图，电机控制采用三相桥式控制电路，左电机驱动系统11与右电机驱动系统10各需6个大功率MOS管，每个MOS管各需要一路的控制信号，左右驱动系统共需12路IO控制，均与CPLD模块9相应管脚相连。现以右电机驱动系统10为例说明M0T0RR_A0、M0T0RR_A1为一对驱动上下桥信号的控制输出脚，控制上下桥的MOS管导通和截止，同理M0T0RR_B0和M0T0RL_B、M0T0RL_C0和M0T0RL_C0也为一对驱动上下桥信号的控制输出脚，控制相应的上下桥MOS管的导通和截止。如图7所示，是右电机13霍尔信号采集端的引脚示意图，左电机12霍尔信号采集端的引脚与右电机13霍尔信号采集端的引脚相同，现以右电机13霍尔信号采集端的引脚示意图为例说明:R_AIN、R_BIN、R_CIN引脚连接到CPLD模块9的R_HALL[A. · C] IN引脚，CPLD模块9实时采集右电机13引脚电平。电机在运转时，这三个弓I脚的电平会有规律的变 化，组合成不同的数据，控制电机的换相，同时，当霍尔值变化时主控单片机定时器开始计时，当下一次霍尔值改变时，读取这个计数值，并清空计时器，开始下一次计数，然后根据两个霍尔点的距离L，和根据计时器得到的时间t，根据公式就可得出在微观状态下的速度值V = L/t;为精确所得数值，再对其进行一阶滤波，得到精确如编码盘效果的速度值。如图4所示，根据主控单片机对速度的计算，得出本实用新型运动过程中的水平加速度，再根据加速度传感器的数据，计算垂直方向的倾斜角度，进而对陀螺仪检测的倾斜角度进行修正，得到较为准确的倾斜角度值。本实用新型智能自平衡电动车对速度进行智能限速处理，即根据电机和车体参数，在程序中设置速度的最高值Vmax，使其在满足速度的要求的下，又使速度留有一个的安全空间，使其永远不会达到车体的极限值。当驾驶者驾驶速度已经达到限定的最大值时，车体通过留有的安全空间，在安全空间内对左电机驱动系统11和右电机驱动系统10增加一定的的驱动力，使车体在行驶中有个加速的过程，而驾驶者由于惯性，滞后车体的变化，产生一个向后的拉力。根据传感器和速度的反馈，使车体产生减速的效果，车体达到新的速度平衡。主控单片机7将计算得出的左电机12、右电机13控制的方向、相位和PWM数据传送到CPLD模块9中，CPLD模块9经过处理，然后经由图6所示引脚，由12路IO 口同时输出相应的时序信号，及时更新状态信息，对电机12和13进行相位变换。主控单片机7同时接收CPLD模块9按照图7所示检测的电机霍尔状态数据，经过计算分析，得出本实用新型运动过程中的速度，并按照图4所示的方法步骤，计算出本实用新型的倾斜角度。根据速度值和车体倾斜角度值对本实用新型的平衡车进行智能控制。如图8所示，所述方向控制杆由立杆6和横梁3组成，其中立杆6分为固定杆61和升降杆63两部分，升降杆63上端与横梁3连接，固定杆61下端与车体连接，升降杆63的下端置于固定杆61内。作为本实用新型优选实施例，固定杆61中设有“Ω”形的中环，升降杆63插到中环内，固定杆61上设有紧固螺杆62，紧固螺杆62与固定杆内的“ Ω ”形中环相连，旋转紧固螺杆62可带动中环抱紧或放松固定杆6。需要说明的是，本实施例中，升降杆的直径应小于固定杆的直径，且升降杆的长度应大于等于固定杆的长度与固定杆被车体固定端至地面的高度之和。所述平衡车方向控制杆，升降杆63的长度大于等于固定杆61的长度与固定杆61垂直于地面时下端距离地面的长度之和，当旋转紧固螺杆62时，中环放松固定杆61，升降杆63下端从固定杆61穿出直至接触地面，起到车支脚的作用。优选地，所述平衡车方向控制杆，固定杆61的下端采用弯折接头64与车体的连接，弯折接头64上设置有锁扣，打开锁扣，控制杆可 以任意角度横向倾倒，控制杆倾倒后的形状如图9所示，横向倾倒后，横梁3成为提携车辆的拉手，便于存放在各种场合和置入汽车后备箱内。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求1.一种智能自平衡电动车，其特征在于，所述智能自平衡电动车包括 (1)横向布置的两个车轮，与各自的驱动电机相连接，所述的车轮被横向固定在车轴上，所述的车轴连接有绕车轴自由转动的载人踏板，车轮、车轴和载人踏板相互固定连接成一整体； (2)横梁，所述横梁的左右两侧安装有把手，左右把手与横梁之间分别装有压力传感器； (3)立杆，所述立杆底部与载人踏板相连，顶部与横梁相连接； (4)智能平衡控制装置，所述的智能平衡控制装置，包括传感器采集系统、左电机驱动系统和右电机驱动系统，传感器采集系统输入端与压力传感器和车身的电流、电压、加速度等传感器相连，左电机驱动系统与左电机相连，右电机驱动系统与右电机相连。
2.如权利要求I所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述的智能平衡控制装置还包括主控单片机、CPLD模块、电源电路，传感器采集系统的输出端与主控单片机输入端相连，主控单片机与CPLD模块之间双向连接，CPLD模块输出端分别与左电机驱动系统和右电机驱动系统相连。
3.如权利要求I所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述的传感器采集系统，包括A/D采集模块，能够对外部的电压、电流、压力、加速度等传感器信号进行实时采集，再将所采集到的位置和状态信号传送给主控单片机进行分析处理。
4.如权利要求2所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述的主控单片机，使用4个IO 口与传感器采集系统进行数据总线通信，能够对传感器采集系统传送的数据的提取、运算、分析和控制，并及时传送到CPLD模块中，所述的主控单片机同时接收CPLD模块实时检测的电机霍尔状态。
5.如权利要求2所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述CPLD模块，一方面与左、右电机驱动系统连接，一方面与主控单片机相应管脚连接，能够接收经主控单片机计算得出的电机控制的方向、相位和PWM数据，并将数据由12路IO 口同时输出，进而控制电机驱动模块；同时，所述CPLD模块与左、右电机的霍尔信号采集端相连，实时采集电机的霍尔状态，并传送给主控单片机进行处理。
6.如权利要求I所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述的左、右电机驱动系统，电机控制采用三相桥式控制电路，每个系统设置6个大功率MOS管，每个MOS管各需要一路的控制信号，左、右电机驱动系统共需12路IO控制信号，12路IO控制信号均与CPLD模块相应管脚相连，由CPLD模块对12路IO控制信号进行多路、并发控制。
7.如权利要求I所述的智能自平衡电动车，其特征在于，载人踏板上还设有质量传感器，质量传感器的另一端与传感器采集系统输入端相连。
8.如权利要求I所述的智能自平衡电动车，其特征在于，所述的主控单片机通过控制电机驱动系统的驱动力，进而控制车身在运动过程中的最大速度。
9.一种如权利要求I所述智能自平衡电动车的方向控制杆，由立杆和横梁组成，其特征在于所述立杆包括固定杆和升降杆，升降杆一端与横梁连接，固定杆一端与车体活动连接，所述方向控制杆上设有能够使升降杆升降的装置。
10.如权利要求9所述的方向控制杆，其特征在于所述能够使升降杆升降的装置是一个“ Ω ”形的中环，升降杆插到中环内，固定杆上设有紧固螺杆，紧固螺杆与固定杆的“ Ω ”形中环相连，旋转紧固螺杆可带动中环抱紧或放松粗杆。
11.如权利要求9所述的方向控制杆，其特征在于固定杆的另一端采用设置有锁扣的弯折接头与车体连接，打开锁扣，控制杆可以任意角度横向倾倒。
12.如权利要求10所述的平衡车方向控制杆，其特征在于所述升降杆小于固定杆的直径。
13.如权利要求10所述的平衡车方向控制杆，其特征在于所述升降杆的长度应大于等于固定杆的长度与固定杆被车体固定端至地面的高度之和。
专利摘要本实用新型涉及一种智能自平衡电动车及其方向控制杆。所述智能自平衡电动车包括横向布置的两个车轮；横梁；立杆；智能平衡控制装置。所述智能平衡控制装置采用能够多路、并发控制的驱动控制芯片，并增加智能限速处理，使车体实现自平衡的同时，对驾驶者的安全性和舒适性都提供了一定的保证；所述方向控制杆，其由立杆和横梁组成，所述立杆包括固定杆和升降杆，升降杆一端与横梁连接，固定杆一端与车体活动连接，所述方向控制杆上设有能够使升降杆升降的装置。所述方向控制杆一个装置完成了两个装置的功能，降低了生产成本，且横向倾倒后的方向控制杆缩小了空间，便于存放在各种场合和置入汽车后备箱内。
文档编号B62K3/00GK202657171SQ20122032180
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者朱陈焜 申请人:上海跑酷机器人科技有限公司