一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平衡控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及短途代步车领域，特别是涉及一种站坐两用式的双轮自平衡车及其平 衡控制方法。
【背景技术】
[0002] 双轮自平衡车是一种智能移动机器人，属于轮式倒立摆机器人的一种。其作为一 种短途代步工具，双轮自平衡车的许多优点，使其具有很好的实用价值和市场前景。
[0003] 现有的双轮自平衡车产品均为体感操作方式，驾驶人站在踏板上，通过改变身体 重心来操作双轮自平衡车前进、后退和停止，长距离行驶会产生驾驶疲劳。
[0004] 中国专利CN200610052273中公开了一种立坐两用式自平衡两轮车，该车虽然具 有立式和坐式两种操作方式，但其工作原理是靠驾驶人改变身体重心，这样对于坐式操作 方式来说会有不舒适感。
[0005] 传统站式平衡车和上述专利中所述立坐两用平衡车，其车身倾角均是靠人体前倾 后仰来改变，如果在坐式驾驶中依然靠身体重心的主动移动来改变车身倾角，则是一种很 糟糕的驾驶体验，增加驾驶人的疲劳感。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种站坐两用式的双轮自平 衡车及其平衡控制方法，其采用体感和电动调速的双操作模式，站立式操作对应体感模式， 坐式操作对应油门模式，在保留体感操作方式的同时提高了驾驶的舒适性。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种站坐两用式的双轮自平衡车，包括车主 体，其特征在于：所述车主体包括底座、踏板组件、驱动轮组件、转向组件、车龙头、座椅组件 和运动控制组件，其中，
[0008] 所述踏板组件、驱动轮组件、座椅组件和运动控制组件均安装在所述底座上；
[0009] 所述踏板组件包括踏板及安装在踏板底端的光电传感器，以检测踏板上是否有脚 踏在踏板上；
[0010] 所述车龙头安装在所述转向组件上，其包括安装在转向组件上的方向杆及安装在 方向杆上的左固定把手组件和右电动调速转把组件；所述右电动调速转把组件包括右把手 及霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测右把手调速信息的并将此调速信息传送给运动控 制组件；
[0011] 所述转向组件通过转向组件支架固定安装在所述底座上，其包括一电位器，以用 于将车龙头的转向角度转换为电压信号并传送给运动控制组件；
[0012] 所述驱动轮组件包括左右对称设置的两个行驶装置，每个行驶装置均包括伺服电 机、减速器和车轮，所述伺服电机通过减速器控制车轮的转速；
[0013] 所述运动控制组件用于接收霍尔传感器的调速信息以及接收转向组件的电位器 的转向信息，从而控制两个伺服电机的转速，进而控制自平衡车的平衡、直行、转向和加/ 减速。
[0014] 优选地，所述转向组件还包括基座、左复位弹簧、右复位弹簧、承力支架、操作转 轴，所述左复位弹簧和右复位弹簧并排安装在基座上且均水平设置，所述承力支架的左右 两端分别抵靠在左复位弹簧和右复位弹簧上，所述操作转轴固定安装在所述承力支架上并 且可转动安装在所述基座上，所述操作转轴与所述车龙头固定连接，操作转轴能在转动时 带动承力支架压缩左复位弹簧或右复位弹簧；所述电位器固定安装在操作转轴上，以用于 检测操作转轴的转向信息并将此转向信息传送给运动控制组件。
[0015] 优选地，所述自平衡车还包括安装人机交互组件，所述人机交互组件包括安装在 车龙头上的安装盒，所述安装盒上设置有显示控制板、LCD液晶屏、无线遥控模块、温湿度传 感器、PM2. 5灰尘传感器、语音模块和喇叭，以用于实现双轮自平衡车的运行状态监控，进而 通过运动控制组件控制双轮自平衡车的运动。
[0016] -种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0017] (1)采集电池电压，判断电池电压正常是否正常，若是，则进入步骤（2)，若否，则 平衡车不启动，并且若驾驶者尝试启动，则提示充电；
[0018] (2)判断自平衡车是否处于锁车状态，若是，则自平衡车无法启动，等待解锁；若 否，则进入步骤（3);
[0019] (3)脚踏传感器采集脚踏信号，从而判断是否有脚踩在自平衡车踏板上，若是，则 获取此时的车主体相对于水平面的倾角，若此倾角在-5°~5°范围内，表明驾驶者试图 驾驶平衡车，则进入步骤（4)，若否，则不启动自平衡车并继续获取脚踏传感器信号；
[0020] (4)采集自平衡车当前俯仰倾角θ p和俯仰倾角角速度知采集左右伺服电机的编 码器数据，从而分别得到左右车轮的转速；采集车龙头右电动调速转把组件的霍尔传感器 的输出电压数据，从而获取油门信号；采集转向组件的输出电压信号，从而获得车主体转向 信息；根据采集到的自平衡车的倾角、倾角角速度和左右车轮转速的信息，结合油门信号和 转向操作息，通过运动控制组件控制左车轮的左伺服电机和右车轮的右伺服电机的驱动电 压，从而使车主体在直行和转弯过程中保持平衡。
[0021] -种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的直行遵 循以下状态微分方程：
[0023] 其中，ΘΡ, 分别表示自平衡车直行位移、直行速度、直行加速 度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，Ue = UJUr，并且队和U 别表示左右伺服电机 的给定电压。
[0024] -种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：自平衡车的转弯过 程遵循以下状态微分方程为：
[0025]
[0026] 其中，状态量φ,ζ?,备分别表示自平衡车转向角、转向角速度和转向角加速度， %二W -為，并且UJPU汾别表示左右伺服电机的给定电压。
[0027] -种站坐两用式双轮自平衡车的平衡控制方法，其特征在于：
[0028] 自平衡车的直行遵循以下状态微分方程：
[0030] 其中^分别表示自平衡车直行的位移、直行速度、直行加速 度、俯仰角、俯仰角速度和俯仰角加速度，Ue = UJUr，并且队和U 别表示左右伺服电机 的给定电压；
[0031] 自平衡车的转弯过程遵循以下状态微分方程为：
[0032]
[0033] 其中状态量φ:,#,夢分别表示自平衡车转向角、转向角速度和转向角加速度，
[0035] 采用极点配置法设计状态反馈控制器，其矩阵表达式为u = -ΚΡχ+ν，其
Kp为反馈增益矩阵，V为参考输 入值，即右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出电压和转向组件的电位器的输出电压； 然后再将u代入所述解耦公式即得到左右伺服电机的给定电压队和U R;
[0036] 最后通过控制左伺服电机上的电压队和右伺服电机上的电SUr，以实现平衡车的 平衡、直行、转弯和加/减速。
[0037] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0038] 1)本发明具有体感-油门双模操作的人性化体验。本发明可以使双轮自平衡车具 有体感和油门双模式的操作方式，既可以采用体感的站式操作方式，又可以采用油门的坐 式操作方式，使其可以适用于更广的人群，具有更好的驾驶体验。
[0039] 2)本发明具有灵活、安全、节能的启动方式。本发明中脚踏传感器可灵敏的检测驾 驶人的脚掌是否接触踏板。当脚掌均没有接触踏板时系统处于低功耗休眠状态；反之，若检 测到有脚掌接触踏板，且车身倾角处于水平正负5°范围内，说