的作用下，承力支架会带动操作转轴 回到中位，从而使车龙头2回到中位，这样在驾驶人在不需要转向时，不用一直用力握住车 龙头2来保证车主体直行。
[0079] 所述人机交互组件由安装盒盖38、喇叭39、IXD液晶屏40、上层显示控制板41、 PM2. 5灰尘传感器42、语音模块43、安装盒底44、无线遥控模块45和温湿度传感器46组成。 人机交互组件通过安装座安装于车龙头2上，便于驾驶人查看车主体运行状态，安装盒盖 38和安装盒底44通过3D打印机打印制作，二者间预留各个模块的安装空间，喇叭39安装 于安装盒盖38的喇叭安装座上，LCD液晶屏40通过排针安装于上层显示控制板41的插孔 内，上层显示控制板41通过螺栓安装于安装盒底44, PM2. 5灰尘传感器42安装于安装盒底 44的安装座上，语音模块43安装于安装盒底44的安装座上，无线遥控模块45安装于安装 盒底44的安装座上，温湿度传感器46安装于安装盒底44的安装座上，各个模块与上层显 示控制板41之间均为电连接，安装盒盖38和安装盒底44之间通过螺栓连接，该组件用于 实现双轮自平衡车的运行状态监控，以通过运动控制组件控制双轮自平衡车的相关运动。
[0080] 所述运动控制组件包括锂电池固定架47、右轮伺服电机驱动器安装支架48、右轮 伺服电机驱动器49、锂电池50、电源接线板51、电源接线板底板52、安装盒53、左伺服电机 驱动器54、左伺服电机驱动器安装支架55、电路板底板56、传感器信号调理板57和运动控 制板58。锂电池50安装于安装盒53的锂电池安装座内，并通过锂电池固定架47固定，电 源接线板51和电源接线板安装座通过螺栓安装于安装盒53内，传感器信号调理板57、运动 控制板58和电路板安装座通过螺栓安装于安装盒内，安装盒通过螺栓安装于底座上，右轮 伺服电机驱动器通过螺栓安装于右轮伺服电机驱动器安装支架上，右轮伺服电机驱动器安 装支架通过螺栓安装于底座上，左伺服电机驱动器通过螺栓安装于左伺服电机驱动器安装 支架上，左伺服电机驱动器安装支架通过螺栓安装于底座上，该组件用于提供能量并控制 双轮自平衡车的平衡、转向和加减速。
[0081] 更具体地，所述人机交互系统的程序流程图如图7所示。其工作过程包括以下步 骤：（1)系统上电后，首先进行系统各模块的初始化（包括GPIO初始化、系统延时初始化、 串口初始化、ADC初始化、液晶显示初始化、语音合成模块SYN6288初始化、温湿度传感器 DHTll初始化、灰尘传感器程序初始化等），并播放开机语音提示；（2)将采集的传感器（温 湿度、灰尘传感器、右电动调速转把组件）信息和通过串口获取的运动控制系统信息（包括 车速、电池电压等）通过液晶进行显示，并根据系统的运行状态播放不同的语音提示（电池 电量不足提示充电，油门过大提示，车速过快报警等）；（3)将驾驶人的相关操作信息（包括 右电动调速转把组件的油门指令等）通过串口发送给运动控制系统控制系统的运动；(4) 通过外部中断检测红外遥控的信号进行锁车和解锁等操作。
[0082] 更具体地，所述运动控制系统的程序流程图如图8所示。其工作过程包括以下步 骤：（1)系统上电后，首先进行系统外设的初始化，包括GPIO初始化、定时器初始化、串口 初始化、ADC初始化、控制参数初始化等；（2)通过ADC采集电池电压，当采集到的电池电 压正常时，进行（3)，否则，不启动平衡车；（3)采集运动处理组件MPU6050的数据，进行滤 波处理，得到当前俯仰倾角θ p和俯仰倾角角速度^，采集左右伺服电机编码器的数据，从 而得到车主体的行驶速度，读取通过串口传送的右电动调速转把组件的霍尔传感器的输出 信号，从而获取油门信号，采集转向电位器的输出信号，从而获取转向信号；(4)采集光电 传感器的信号，从而判断是否有人使用，若有人使用，则进行（5)，否则，不启动平衡车并继 续获取光电传感器信号；（5)通过获取的俯仰倾角θ ρ判断车主体倾角是否在允许的范围 (±5° )内，若在此范围内，则启动平衡控制程序，否则，不启动平衡车。
[0083] 进一步，所述运动控制系统程序流程图中的平衡车控制程序的控制原理框图如图 9所示。平衡控制所依据的数学模型可解耦为两个独立的控制子系统：直行系统和转弯控 制系统。其中，直行系统所依据的状态微分方程为：
[0085] 其中6*P Jp Jp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；
[0086] 转弯控制系统所依据的状态微分方程为：
[0087]
[0088] 其中状态量φ,φ,参分别表示自平衡车转向角、转向角速度和转向角加速度，
[0090] 根据以上两个系统的数学模型，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，其中，
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输出电压；
[0092] 然后再将u代入所述解耦公式即分别得到左右伺服电机的给定电压队和U R;
[0093] 最后通过队和U R控制左右伺服电机的转速，以实现平衡车的直线行驶、加/减速 和转弯。
[0094] 平衡控制程序包括以下步骤：（1)采集左右伺服电机编码器的数据和运动处理组 件MPU6050的数据，从而解算得到左驱动轮的转速I、右驱动轮转速、车主体的俯仰倾角 θρ和俯仰倾角角速度⑵设定速度指令和转向指令，其中速度指令（可以通过体感或 油门动态设定）用于控制平衡车的行驶速度，转向指令（通过采集转向组件的转向电位器 的信号获得）用于控制平衡车的转弯；(3)利用设计的状态反馈控制器对车主体的俯仰倾 角进行控制：状态反馈控制器根据系统的状态计算得到输出给左右伺服电机驱动器的控制 电压队和U R，从而控制左右两个伺服电机的转速，进而控制左右车轮的转速，以实现平衡车 的直线行驶、加减速和转弯等动作。
[0095] 本发明工作过程如下：
[0096] 站式操作方式：使用时，打开电源开关，语音播放开机提示，系统启动并初始化，采 集得到各个传感器模块的信号，当没有脚踏信号时不启动平衡控制程序，当车主体踏板与 水平面夹角（以下简称车主体倾角）在±5°以内，且有脚踏信号时，启动平衡控制程序，对 应的实际操作流程为，驾驶人将通过车龙头大致扶正车主体，然后一只脚踏在一踏板一侧 的光电传感器上方，平衡控制程序启动，播放语音提示，驾驶人再将另一只脚踏在踏板另一 侧的光电传感器上方，从而完成上车。上车完成后，驾驶人通过控制自身的重心控制平衡车 的运动：身体前倾时，平衡车向前运动，运动速度与倾角大小成正比；身体后仰时，平衡车 向后运动，运动速度与倾角大小成正比；身体保持竖直时，平衡车原地静止；驾驶人操作车 龙头转向时，平衡车根据车龙头转动的方向向相应的方向转弯，转弯速度与车龙头的转角 大小成正比。与上车的动作相反，下车时先下一只脚，然后再下另外一只脚完成下车。
[0097] 坐式操作方式：使用时，打开电源开关，语音播放开机提示，系统启动并初始化，采 集得到各个传感器模块的信号，当没有脚踏信号时不启动平衡控制程序，当车主体相对于 水平面的倾角在±5°以内，且有脚踏信号时，启动平衡控制程序，对应的实际操作流程为， 驾驶人将通过车龙头大致扶正车主体，然后一只脚踏在一踏板一侧的光电传感器上方，平 衡控制程序启动，播放语音提示，驾驶人再将另一只脚踏在踏板另一侧的光电传感器上方， 从而完