电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电动自平衡独轮车技术领域，具体地说是涉及一种电动自平衡独轮车 的拎起与放下识别方法。
【背景技术】
[0002] 目前在国内，电动自平衡独轮车作为一种依靠电力驱动及自我平衡能力控制的代 步工具开始悄悄盛行起来，它主要通过倒立摆系统原理来控制车体的前后平衡，使用者只 需保持车体的左右平衡。使用者将脚放在轮子两侧的踏板上以后，向前倾斜身体即可前进， 向后倾斜减速，向左或向右倾斜转弯。电动自平衡独轮车的体形小巧、携带方便，不使用后 可以拎起提到公交、地铁、家里或是办公室。
[0003] 由于使用者的使用习惯问题，时常会在使用过程中将电动自平衡独轮车拎起，而 由于独轮车的工作原理是基于保持内部姿态传感器保持水平，所以拎起后轮子会旋转甚至 疯狂旋转。当然当前的技术会让车子在转速超过一个设定值（一般为最大速度值）延时几 秒后停转，其用户体验感较低且存在安全隐患。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法，该方法在 保持现有电动自平衡独轮车结构与性能的基础上，在不经过大量计算并满足单片机计算特 点的情况下，对车子进行拎起识别，同时在拎起后放下时迅速响应。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，电动自平衡独轮车主要通过控制 处理器、姿态传感器和执行器（伺服电机）来实现平衡，当使用者倾斜身体时，姿态传感器 输出相应姿态信息，控制处理器感知到姿态信息后，命令伺服电机向相应方向旋转，姿态传 感器按一定频率不停地测量车子姿态（车体的倾斜角度信息），并输出姿态信息到控制处 理器，控制处理器不停地调整伺服电机的转动方向和转速，这样就保持了一个动态的平衡。 电动自平衡独轮车是靠伺服电机驱动的，采用姿态传感器与驱动电路控制平衡。此外，电动 自平衡独轮车的控制系统还包括霍尔传感器、加速度传感器和触摸传感器，霍尔传感器用 于测量驱动车轮的伺服电机的速度信息，加速度传感器用于测量一个时间段的由地球引力 作用和车子运动所产生的总体加速度信息，触摸传感器用于检测使用者手触摸拎起把手的 接触动作以及接触时间信息。
[0006] 电动自平衡独轮车是靠姿态传感器测算的倾斜角度换算成需要的输出功率来精 确控制伺服电机的输出速度和力矩，并通过修正伺服电机的输出力矩来实时检测车子在骑 行方向的加速度，因此电动自平衡独轮车的拎起与放下识别方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一：预定义电动自平衡独轮车在骑行方向的加速度计算公式如下：
[0008]
⑴
[0009]其中，a表示骑行方向加速度，v表示独轮车的瞬时速度，t表示时亥I」，Δv表示独 轮车当前时刻速度与前一时刻速度的速度差，At表示当前时刻与前一时刻的间隔时间； 并且计算过程中将At设定为一定值，则a〇cΔν，〇〇 :正比于，故速度差Δν越大，骑行方 向加速度a就越大。
[0010] 步骤二：获取电动自平衡独轮车的速度信息，并进行速度滤波，采用霍尔传感器检 测驱动车轮的伺服电机的速度信息，考虑到霍尔传感器在安装或使用过程中存在安装偏移 等缺陷，因此，为了保证计算精确度，需要对伺服电机的最终速度值进行滤波处理。
[0011] 步骤三：计算电动自平衡独轮车的本帧速度差，并与预先设定的速度差定义量进 行比较判断；在每个时刻（时间点）取一次速度值，并在相邻的三个时刻（时间点）取两次 速度差AV，防止使用者在骑行过程中的车速突然为零点所导致大的加速度的误判；由于 间隔时间At为一定值，采用公式（1)计算加速度a时可将At消去，仅考虑速度差Δν。 在电动自平衡独轮车的控制处理器中预先设定的速度差定义量是通过鲁棒性试验获得的 数据值，所述速度差定义量为一定值或在该定值的邻域内变化。
[0012] 步骤四：触摸传感器检测触摸拎起把手的接触时间，并与预先设定的接触时间定 义量进行比较判断，防止误判拎起或放下；在电动自平衡独轮车的控制处理器中预先设定 的接触时间定义量是通过鲁棒性试验获得的毫秒级别的数据值，所述接触时间定义量为一 定值或在该定值的邻域内变化，并且不同的触摸传感器所对应的预先设定的接触时间定义 量也是存在差异的。
[0013] 步骤五：将电动自平衡独轮车的上帧速度差与预先设定的速度差定义量进行比较 判断；
[0014] 步骤六：获取速度为零值的时刻与当前时刻的时间差，并与预先设定的时间差定 义量进行比较判断，以判断使用者在骑行过程中是否停下来过。其中，速度为零值的时刻由 控制处理器的时间计时器进行实时更新。
[0015] 步骤七：在触摸传感器未检测到使用者手触摸拎起把手的动作的情况下，响应或 延时响应控制处理器的平衡运算。进而可实现拎起放下车子后正常使用的效果，其中，延时 响应的目的是为了防止控制处理器短时间检测失误而导致车子非连续控制耗损元器件，当 使用者发生惊慌时也不会摔倒，因为已经拎起，同时还有个好处就是就算误判了也会马上 进入非误判状态。
[0016] 需要说明的是，上述步骤一至步骤七代表了本拎起与放下识别方法的最佳判断顺 序，具有最少的判断次数，可有效降低对控制处理器的运算处理能力要求，并且，上述步骤 三至步骤六所述的识别判定条件的顺序在不影响识别效果的情况下可随意调换。
[0017] 此外，上述步骤三、步骤四、步骤五以及步骤六所述的识别判定条件既可以单独使 用，也可以组合使用，并在组合使用时各判定条件的顺序是无要求的。
[0018] 作为本发明的一种改进，所述触摸传感器选用电容式触摸传感器、压力传感器和 光感传感器中的任意一种，所述触摸传感器安装在电动自平衡独轮车的拎起把手处，用于 检测使用者手是否接触拎起把手以及手与拎起把手的接触时间。
[0019] 作为本发明的一种改进，所述速度滤波采用单独的滑动平均滤波方式或采用中值 滤波和滑动平均滤波相结合的方式，如果采用后者滤波方式的话，其滤波处理顺序为先中 值滤波再滑动平均值滤波，采用中值滤波可先剔除速度数据中的毛刺量，以保证速度数值 的平滑性，并再采用滑动平均值滤波进一步提高速度数值的平滑度。
[0020] 作为本发明的一种改进，在采用霍尔传感器检测伺服电机的速度信息的同时，还 可以采用加速度传感器测量一个时间段的由地球引力作用或车子运动所产生的总体加速 度信息。加速度传感器和姿态传感器都无法单独获得动态情况下的精准车体平衡控制，将 加速度传感器和姿态传感器进行互补，并将两种信息进行有效融合，才能获得准确的姿态 信息。
[0021] 作为本发明的一种改进，所述速度差是指线速度差，并根据线速度差与角速度差 之间的关系（线速度=角速度*半径），还能够采用角速度差对线速度差进行替换。并且， 速度差都来自于霍尔传感器的变换速度差异。
[0022] 相对于现有技术，本发明提出的电动自平衡独轮车拎起与放下的识别方法，运算 复杂度低，易于实现，识别灵敏度高且安全性高，车子拎起与放下的识别时间不超过1秒， 且车子拎起后车轮的旋转时间极短，车子放下后能正常使用，符合使用者的骑行习惯，进一 步提高了车子的使用舒适感；采用的电容式触摸传感器、压力传感器或光感传感器等触摸 传感器既能检测接触拎起把手的动作，又能计算接触时间，并将触摸传感器直接安装在拎 起把手处，有效保证了触摸检测的实时性，同时也减少了控制处理器的CPU计算量，从而保 证车子的控制性能；在本方法中使用速度差来计算车子骑行方向的加速度，不仅直观易懂， 计算简单，同时也有效保证检测识别的可靠性，大大提高了识别的精确度，并在霍尔传感器 检测速度的过程中，对车子的速度进行零点识别，避免出现瞬间大的加速度值而导致误判 的可能，进一步保证了识别的可靠性，提高了识别的安全性。
【附图说明】
[0023] 图1为电动自平衡独轮车的控制结构框图。
[0024] 图2为本发明的算法工作流程图。
[0025]图3为触摸传感器在电动自平衡独轮车上的安装位置示意图。
[0026] 图中：1-电动自平衡独轮车，2-拎起把手，3-触摸传感器。
【具体实施方式】
[0027] 为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
[0028] 实施例1 :如图1 一图3,电动自平衡独轮车1主要通过控制处理器、姿态传感器和 同步伺服电机（PMSM)来实现平衡，姿态传感器（内部带有加速度传感器、陀螺仪和卡尔曼 滤波模块）按一定频率不停地测量车子姿态（车体的实际角度信息），并输出实际角度信息 到控制处理器中与预先设定的给定角度进行比较得出角度误差，控制处理器根据所得角度 误差值不停地调整PMSM电机的转动方向和转速；此外，电动自平衡独轮车1的控制系统还 包括霍尔传感器、加速度传感器和触摸传感器3，霍尔传感器为PMSM电机内部自带的，用于 测量驱动车轮的PMSM电机的速度信息，加速度传感器用于测量一个时间段的由地球引力 作用或车子运动所产生的总体加速度信息作为识别条件的补充，触摸传感器3用于检测使 用者手触摸拎起把手2的接触动作以及接触时间信息。电动自平衡独轮车1是靠姿态传感 器测算的倾斜角度换算成需要的输出功率来精确控制PMSM电机的输出速度和力矩，并通 过修正PMSM电机的输出力矩来实时检测车子在骑行方向的加速度。
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