电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法

电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法
【专利摘要】本发明涉及电动车领域，公开了一种电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法，包括灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块，灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块中至少一个控制模块与CPU集成在同一集成芯片上，及其坡度计算方法。本发明将用于控制各个单元工作状态的控制模块连同CPU一同集成在同一芯片上，模块集中化，简化了接线，线束更简洁，成本更低廉；CPU采集三轴重力加速度传感器的信号，自动计算电动车行驶路面坡度值，从而将坡度信息发送给电机控制器，电机控制器根据当前路面坡度信息调节电机输出扭矩，从而实现能源输出智能调节功能，减少电池电量不必要的损耗，延长行驶里程。
【专利说明】电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法【技术领域】
[0001]本发明涉及电动车领域，尤其涉及了一种电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法。
【背景技术】
[0002]当前传统电动车上装载有仪表、报警器、闪光器、控制器、灯组驱动模块等外围设备，其线缆复杂，线路繁琐，分支较多，线路压降较大，整车保护性能差，电池容易被盗；而且在使用过程中控制器和仪表基本上没有直接的命令联系，这样对整车的安全存在一些隐患，比如控制器的某些严重故障仪表并不知情，仪表不知情的情况下意味着用户不知情，用户就无法正确的做出一定的措施。
[0003]目前的电动车并未装有自动转向功能的设备，一些用户往往在行驶过程中老是忘记打开转向灯，当前电动车引起的交通事故非常频繁，如有自动转向功能的设备，即使用户忘记打开转向开关，设备也能识别出当前用户想要做什么，可以大大提高安全性。
[0004]且目前 市面上的电动车都无法检测行驶路面的坡度，不能自动调节电机输出扭矩，对电池电量的浪费较为明显，使得电动车行驶里程变短，不便人们的出行。
[0005]因此有必要研究一种可简化接线、能自动以实际情况为准自动打转向灯、可显示剩余电量、电流、车速、时钟、环境温度和故障等信息、可自动检测行驶路面坡度从而节省能源的电动车。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于提供了一种可简化接线、能自动以实际情况为准自动打转向灯、可显示剩余电量、电流、车速、时钟、环境温度和故障等信息、可自动检测行驶路面坡度从而节省能源的电动车车身控制系统及其行驶路面坡度计算方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决:
[0008]电动车车身控制系统，包括灯光单元、报警单元、电机驱动单元、总线仪表单元、转向灯单元和CPU，灯光单元包括灯光控制模块，报警单元包括报警控制模块，总线仪表单元包括显示控制模块，转向灯单元包括转向控制模块和与转向控制模块连接的转向检测器，灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块中至少一个控制模块与CPU集成在同一集成芯片上。每个单元配备一控制模块用于控制本单元工作状态。
[0009]作为优选，灯光单元还包括均与灯光控制模块连接的夜行灯、近光灯、远光灯、夜行灯开关、近光灯开关、远光灯开关、光感传感器。
[0010]作为优选，转向灯单元还包括均与转向控制模块连接的左转向灯、右转向灯、左转向开关、右转向开关。
[0011]作为优选，报警单元还包括均与报警控制模块连接的喇叭、喇叭开关、若干个震动传感器。
[0012]作为优选，总线仪表单元还包括均与显示控制模块连接的液晶显示屏、USB接口。[0013]作为优选，电机驱动单元包括电机控制模块和与电机控制模块连接的电机。
[0014]作为优选，还包括与CPU连接的三轴重力加速度传感器。
[0015]电动车行驶路面坡度计算方法，电动车上设有三轴重力加速度传感器、CPU、电机控制器、总线仪表单元，包括以下步骤:
[0016]A.总线仪表单元在水平路面上安装电动车上，通过校零装置设定行驶路面的零坡度值；
[0017]B.骑行过程中总线仪表单元实时采集三轴重力加速度传感器的信号，经过滤波后得到当前行驶路面坡度值α的信息，具体如下:
[0018]三轴重力加速度传感器实时检测电动车X、Y、Z三个方向的重力加速度的值，对电动车的三轴重力加速度传感器进行初始校准，让电动车停在一个水平平面时测出三轴重力加速度传感器的安装倾角β ;安装倾角β通过如下方法求得:
[0019]β = tan_1(Ay/Ax)
[0020]式中Ax为X轴方向重力加速度，Ay为Y轴方向重力加速度；
[0021]行驶路面坡度值α如下:
[0022]a = cos-1 {[Ax*sin ( β )+Ay*cos ( β ) ]/g}
[0023]式中，行驶路面坡度值α即为电动车与水平路面的倾斜角度；g为自由落体加速度，其为常数，g = 9.8m/S2 ；
[0024]C.总线仪表单元将行驶路面坡度值α通过总线发送给电机控制器；
[0025]D.电机控制器根据行驶路面坡度值α调节电机扭矩输出；爬坡则控制加大电机扭矩，下坡则减小电机扭矩。
[0026]本发明将用于控制各个单兀工作状态的控制模块连同CPU—同集成在同一芯片上，模块集中化，简化了接线，线束更简洁，成本更低廉；设置的转向检测器可检测实际的转向操作，并将该检测信号反馈至转向控制模块，转向控制模块自动以实际情况为准自动打转向灯，可减少交通事故的发生，提高了骑车安全性；显示控制模块将系统检测到的剩余电量、电流、车速、时钟、环境温度和故障信息等在液晶显示屏上进行显示。
[0027]内置CPU采集三轴重力加速度传感器的信号，自动计算电动车行驶路面坡度值，从而将坡度信息发送给电机控制器，电机控制器根据当前路面坡度信息调节电机输出扭矩，从而实现能源输出智能调节功能，减少电池电量不必要的损耗，延长行驶里程。具体优点如下:
[0028]1.液晶显示屏显示丰富的内容:总线仪表单元作为一个直观的显示平台，在液晶显示屏上显示丰富的内容如:电量、电流、车速、温度、时钟、故障等；
[0029]2.射频防盗:此功能大大提高了整车的安全性，用户使用车辆需配备车厂配备的专用钥匙才能开启，否则无法正常运行。
[0030]3.电池防盗:该功能可以有效的减少电池被盗的风险，一旦电池被拆，系统将进行报警提供用户或周边人群；
[0031]4.震动传感器、温度传感器:系统集成了两种传感器，震动传感器可以进行整车的设防，温度传感器可以查看当前室外的实时温度；
[0032]5.自动光感灯控:内置的光感传感器可以自动控制车辆的灯组，也可以手动控制，内部集成自动转向功能。[0033]6.驱动大功率灯组:系统内置可以驱动12V/60W灯泡，每一路均带短路保护功能，一旦短路在仪表上进行快速显示；
[0034]7.故障分析及显示:系统自动对总线数据进行分析，判断出故障则在仪表上进行显不O
[0035]8.自动转向及坡度识别功能:总线仪表单元中集成了三轴重力加速度传感器能识别出用户的当前动作，及路面的坡度情况，电机控制器根据坡度大小进行驱动能力的增减。
[0036]9.CPU:采用最先进的正弦波驱动技术对电机进行驱动，配合总线仪表单元数据进行合理控制，正弦波驱动使噪音大大降低，提高用户的舒适性。
【专利附图】

【附图说明】
[0037]图1是本发明的控制系统的原理示意图。
[0038]图2是灯光单元和转向灯单元控制系统图。
[0039]图3是射频信号采集电路图。
[0040]图4是重力加速度信号采集电路图。
[0041 ]图5是报警控制模块的电路图。
[0042]图6是故障报警电路图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
[0044]实施例1
[0045]电动车车身控制系统，如图1至图2所示，包括灯光单元、报警单元、电机驱动单元、总线仪表单元、转向灯单元和CPU，灯光单元包括灯光控制模块，报警单元包括报警控制模块，总线仪表单元包括显示控制模块，转向灯单元包括转向控制模块，灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块中至少一个控制模块与CPU集成在同一集成芯片上，集成在同一集成芯片上后即命名为集成模块。每个单元配备一控制模块用于控制本单元工作状态。
[0046]在本实施例中，灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块与CPU均集成在同一集成芯片上。
[0047]还包括内部设有RF芯片的钥匙，CPU包括射频信号采集电路。射频信号采集电路用于采集钥匙上的RF芯片信息。运用先进的RFID无线射频识别技术，电动车上电后自动检测锁头与钥匙的识别码是否匹配，此功能大大提高了整车的安全性，用户使用车辆需配备车厂配备的专用钥匙才能开启，否则无法正常运行。射频信号采集电路如图3所示。射频信号采集电路包括74HC4060芯片。
[0048]CPU还包括电池防盗电路，电池防盗电路与喇叭连接，电池防盗电路自动检测整车电源状态，并在电池移除状态下自动报警，更“保险”。实时监测电池状态，若检测到电池异常移除，自动启动报警策略，喇叭报警，并锁电机。
[0049]还包括均与CPU连接的重力加速度信号采集电路和GPS装置；重力加速度信号采集电路包括三轴重力加速度传感器。系统内置的三轴重力加速度传感器可以实时监测电动车是否有产生碰撞，系统预设一个碰撞值，一旦监测到重力加速度超过这个阀值，系统就会认为当前状态发生了车祸。系统将通过总线形式告知装在电动车中的GPS装置，快速定位及时救援。重力加速度信号采集电路如图4所示。三轴重力加速度传感器采用MXD2020E芯片，MXD2020E芯片设有命名为1-8的引脚，引脚I为Tout接口，引脚2为AoutY接口，引脚3为GND接口，引脚4为VDA接口，引脚5为AoutX接口，引脚6为Vr ef接口，引脚7为Sck接口，引脚8为VDD接口。引脚3接地，引脚2与命名为R6的电阻串联，引脚2与引脚3间串联有命名为C3的电容，电容C3的电容量为luF。引脚4与命名为C4的电容并联后一端与电压为3.3V的电源连接，另一端接地。引脚7接地，引脚5与命名为R7的电阻串联，弓丨脚7与引脚5之间串联有命名为C5的电容，电容C5的电容量为luF。引脚8与命名为C6的电容并联后一段与电压为3.3V的电源连接，另一端接地。
[0050]灯光单元还包括均与灯光控制模块连接的夜行灯、近光灯、远光灯、夜行灯开关、近光灯开关、远光灯开关、光感传感器。灯光控制模块根据夜行灯开关、近光灯开关、远光灯开关的闭合情况以及光感传感器的感应信号来控制夜行灯、近光灯、远光灯的工作状态。
[0051]手动控制:当夜行灯开关闭合时，进入手动光源控制模式并点亮夜行灯；当近光灯开关闭合同时远光灯开关断开时，近光灯点亮远光灯不亮；当近光灯开关和远光灯开关都闭合后，将远光灯优先点亮，关闭近光。
[0052]全自动控制:当夜行灯开关断开后，系统进入全自动控制模式；当光感传感器检测到环境光强小于55Lux时，控制夜行灯自动点亮，环境光强继续降低到20Lux时，远光灯自动开启，此时可由用户通过远近灯开关自由切换；当环境光强回升到40Lux时，远光灯关闭，继续回升到65Lux时，夜行灯关闭；自动控制时系统通过模糊算法进行控制，当达到条件后约延时5到10秒左右进行动作。
[0053]转向灯单元还包括均与转向控制模块连接的左转向灯、右转向灯、左转向开关、右转向开关、转向检测器。
[0054]转向控制模块与CPU连接。转向控制模块根据左转向开关、右转向开关和转向检测器的信号来控制相应转向灯的工作状态。
[0055]手动控制:系统采用了点动式左、右转向开关，每当要提前打转向灯时只要左或右开关拔一下放手动开关自动回位，系统识别到手动转向信号后相应的转向灯闪烁10秒钟并伴有系统内喇叭发出的转向提示音，喇叭可借用报警单元中的喇叭。
[0056]自动控制:不管当前提前打了或者没打转向灯，当转向检测器检测到实际的转向操作，并将该检测信号反馈至转向控制模块，转向控制模块自动以实际情况为准自动打转向灯并伴有系统内喇叭发出的转向提示音；当手动提前拔的转向灯方向与实际转向相反时，系统以实际转向方向为准闪光灯闪烁，并发出两声错误提示音，以便用户养成习惯；当手动提前拔的转向灯方向与实际转向相同时，系统继续按拔打方向闪烁，此时不发错误提示音，直到车身回正，闪光灯停止闪烁。
[0057]报警单元还包括均与报警控制模块连接的喇叭、喇叭开关、若干个震动传感器。集成多个震动传感器，使整车对环境震动，更“可靠”。电动车停放时，若检测到车身震动超过预设幅度，自动启动报警策略，喇叭报警，锁电机。报警控制模块的电路图如图5所示，若干个震动传感器并联后一端与电源连接，另一端与两个并联的电阻串联，两个并联的电阻分别命名为电阻Rl和电阻R2，电阻Rl的阻值为1K，电阻R2的阻值为100K，电阻Rl与电容Cl串联，并联后的两个电阻接地。震动传感器的信号输入端与电容Cl并联。
[0058]总线仪表单元还包括均与显示控制模块连接的液晶显示屏、USB接口，显示控制模块将系统检测到的剩余电量、电流、车速、时钟、环境温度和故障信息等在液晶显示屏上进行显示。USB接口方便用户在骑行过程中进行手机充电，充电信息可在液晶显示屏上予以显示。每个控制模块均带短路保护电路和灯泡，一旦短路该电路的灯泡亮起从而在液晶显示屏上进行快速显示，灯泡为12V/60W的灯泡。
[0059]如图6所示，还包括故障报警单元，故障报警单元包括故障报警电路，故障报警电路包括ALARM_IC_C0B芯片，即COB集成芯片，ALARM_IC_C0B芯片上设有从上往下依次命名为1-16的引脚，引脚I为OSCI接口，引脚2为OSCO接口，引脚3为VDD接口，引脚4为DAC接口，引脚5为BK接口，引脚6为DO接口，引脚7为LED_K接口，引脚8为Alarm_key接口，引脚9为left_key接口，引脚10为righet_key接口，引脚11为ADj接口，引脚12为L_r_alarm_led 接口，引脚 13 为 R_LED 接口，引脚 14 为 Head_led接口，引脚 15*L_LED 接口，引脚16为GND接口。引脚I与命名为R3的电阻串联后与引脚2连接，电阻R3的阻止为250K。引脚3与命名为C2的电容连接后再接地，电容C2的电容量为0.luF，引脚3与电容C2间串联有命名为Ql的三极管，三极管Ql的集电极与引脚3连接，三极管Ql的发射极与电源连接，三极管Ql的发射极和基极间串联有命名为R4的电阻，电阻R4的阻值为10K。引脚4与命名为R5的电阻串联后在与命名为Q2的三极管的基极串联，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与命名为LI的电感连接，电感LI包括引线1、引线2引线3，三极管Q2的集电极与引线2连接，三极管Q2和引线3间连接有蜂鸣片。引脚16接地，引脚11与时钟连接。
[0060]还包括与显示控制模块连接的温度传感器，温度传感器用于检测外界实时温度，使用户实时了解环境温度，更“贴心”。
[0061]本实施例中的大部分单元均分布在电动车车体前半部分，因此可将这些单元中的控制模块进行集成，形成集成模块。而由于电机驱动单元设置在车体后半部分，与上述集成模块较远，因此在本实施例中将其单独列出，电机驱动单元包括电机控制模块和与电机控制模块连接的电机。电机控制模块通过通讯线与集成模块连接。
[0062]此外，通过设置集成模块的控制程序，使集成模块中的对应控制模块在CPU的调度下配合实现S型骑行限制功能。S型骑行限制:当用户骑车时左一下右一下晃动连续10次，每次间隔小于4秒钟，则系统认为当前用户为危险骑车，系统喇叭会长鸣5秒钟，同时电机控制模块会对车辆的最高时速进行限制，以提高骑车安全性，间隔时间、次数、最高时速及喇叭长鸣时间均能通过设置进行调整。转向灯单元和该S型骑行限制功能中的转向依靠转向检测器的检测信号来判定，并能根据需要进行灵敏度调节。灵敏度手动调节:整车保持无倾斜后，选定一个车头转向角度，同时按住同方向转向开关和喇叭开关，喇叭响16-18下后即完成灵敏度调节(灵敏度与转向角度大小成正比)。
[0063]实施例2
[0064]电动车行驶路面坡度计算方法，包括以下步骤:电动车上设有三轴重力加速度传感器、CPU、电机控制器、总线仪表单元，
[0065]A.总线仪表单元在水平路面上安装电动车上，通过校零装置设定行驶路面的零坡度值；校零装置采用按钮或组合开关；[0066]B.骑行过程中总线仪表单元实时采集三轴重力加速度传感器的信号，经过滤波后得到当前行驶路面坡度值α的信息，具体如下:
[0067]三轴重力加速度传感器实时检测电动车X、Y、Z三个方向的重力加速度的值，使用三轴加速度传感器可以把电动车的行驶加速度从重力加速度中分立出来。电动车的行驶加速度和重力加速度处于同一垂直平面的两个不同的轴上，只要通过把三轴重力加速度传感器放置在水平面上，再使三轴重力加速度传感器的感应轴具有合适的角度，那就可以提高行驶路面坡度值α的测量精度。
[0068]当三轴重力加速度传感器的感应轴与电动车的纵向成45°，则行驶加速度影响的倾角值α ’如下:
[0069]α ’ = cos-1 [0.707* (Ax+Ay) /g]
[0070]在三轴重力加速度传感器的感应轴上体现的电动车的纵向加速度是大小相等方向相反的，因此，(Ax+Ay)的值保持不变。比如，电动车的行驶加速度是向前的，那Ax增加的同时Ay减小。但是在实际应用中很难精确做到使三轴重力加速度传感器的感应轴和电动车的纵向成45°，因此需先对电动车的三轴重力加速度传感器进行初始校准，让电动车停在一个水平平面时测出三轴重力加速度传感器的安装倾角β ;安装倾角β通过如下方法求得:
[0071]β = tan_1(Ay/Ax)
[0072]式中Ax为X轴方向重力加速度，即水平方向上的重力加速度；Ay为Y轴方向重力加速度，即垂直方向上的重力加速度；
[0073]行驶路面坡度值α如下:
[0074]α = cos-1 {[Ax*sin ( β )+Ay*cos ( β ) ]/g}
[0075]式中，行驶路面坡度值α即为电动车与水平路面的倾斜角度；g为自由落体加速度，其为常数，g = 9.8m/S2 ；
[0076]初始化的一个折中的方法是，使系统运行在一个连续不变的Ax和Ay状态下。大多数道路都是水平的，在通过短时间的运行后，系统就会测出安装倾角。系统运行时间越长，精度就越高。在测出安装角度后我们可以根据公式测量出电动车与水平面的坡度。
[0077]C.总线仪表单元将行驶路面坡度值α通过总线发送给电机控制器；
[0078]D.电机控制器根据行驶路面坡度值α调节电机扭矩输出；爬坡则控制加大电机扭矩，下坡则减小电机扭矩。
[0079]总线仪表单元测量出来坡度信息后通过总线把当前行驶路面坡度值α范围(-90° -90° )发送到电机控制器。一般路面可以当做是水平来看，电机控制器只要根据总线仪表单元给的转把信号进行线性驱动即可，但是一旦总线仪表单元判断出来当前路面是的行驶路面坡度值α不为零，比如当前为长坡，电机控制器需要根据总线仪表单元发送的行驶路面坡度值α进行输出扭矩的调整。比如当前行驶路面坡度值α为20。，电动车在水平路面上转把在到底的情况下电机控制器输出的扭矩为50扭，但是由于坡度的影响，电机控制器就需要根据行驶路面坡度值α增加扭矩，具体增加值要在路面上进行测试为准。如果当前行驶路面坡度值α为负值，说明为下坡，下坡的时候电机控制器就会降低扭矩，转把到底控制器输出的扭矩也会相对比较小，在刹车过程中可以通过能量回收装置对能量进行相应的回收，起到资源的合理利用。[0080]总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
【权利要求】
1.电动车车身控制系统，其特征在于:包括灯光单元、报警单元、电机驱动单元、总线仪表单元、转向灯单元和CPU，灯光单元包括灯光控制模块，报警单元包括报警控制模块，总线仪表单元包括显示控制模块，转向灯单元包括转向控制模块和与转向控制模块连接的转向检测器，灯光控制模块、报警控制模块、显示控制模块、转向控制模块中至少一个控制模块与CPU集成在同一集成芯片上。
2.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:灯光单元还包括均与灯光控制模块连接的夜行灯、近光灯、远光灯、夜行灯开关、近光灯开关、远光灯开关、光感传感器。
3.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:转向灯单元还包括均与转向控制模块连接的左转向灯、右转向灯、左转向开关、右转向开关。
4.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:报警单元还包括均与报警控制模块连接的喇叭、喇叭开关、震动传感器。
5.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:总线仪表单元还包括均与显示控制模块连接的液晶显示屏、USB接口。
6.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:电机驱动单元包括电机控制模块和与电机控制模块连接的电机。
7.根据权利要求1所述的电动车车身控制系统，其特征在于:还包括与CPU连接的三轴重力加速度传感器。
8.电动车行驶路面坡度计算方法，电动车上设有三轴重力加速度传感器、CPU、电机控制器、总线仪表单元，包括以下步骤: A.总线仪表单元在水平路面上安装电动车上，通过校零装置设定行驶路面的零坡度值； B.骑行过程中总线仪表单元实时采集三轴重力加速度传感器的信号，经过滤波后得到当前行驶路面坡度值α的信息，具体如下: 三轴重力加速度传感器实时检测电动车X、Y、Z三个方向的重力加速度的值，对电动车的三轴重力加速度传感器进行初始校准，让电动车停在一个水平平面时测出三轴重力加速度传感器的安装倾角β ;安装倾角β通过如下方法求得:
β = tarf1 (Ay/Ax) 式中Ax为X轴方向重力加速度，Ay为Y轴方向重力加速度； 行驶路面坡度值α如下:
a = cos-1 {[Ax*sin ( β ) +Ay*cos ( β ) ] /g} 式中，行驶路面坡度值α即为电动车与水平路面的倾斜角度；g为自由落体加速度，其为常数，g = 9.8m/S2 ； C.总线仪表单元将行驶路面坡度值α通过总线发送给电机控制器； D.电机控制器根据行驶路面坡度值α调节电机扭矩输出；爬坡则控制加大电机扭矩，下坡则减小电机扭矩。
【文档编号】B62D113/00GK103979012SQ201410193389
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】方火军, 方进, 范韩伟, 鲍婕 申请人:金华市金开电子科技有限公司