一种应用于双轮车驱动防滑系统的传感器电路系统的制作方法

本实用新型属于平衡车控制中的驱动防滑技术领域，尤其涉及一种应用于双轮车驱动防滑系统的传感器电路系统。

背景技术：

随着时代的发展，人们生活质量的提高，双轮平衡车以其优越的驾驶灵活性、清洁低碳零排放的特性以及出行经济性成为越来越流行的交通工具。由于城市交通路况复杂多变，当平衡车在摩擦系数较低的路面上行驶时，车轮无法提供足够的摩擦力造成打滑现象，造成整车的平衡失稳和横向失稳，所以需要在平衡车的平衡闭环控制和速度闭环控制等基础动态转矩控制上实现防滑控制，以保证整车的行驶稳定性。

驱动防滑系统(acceleration slip regulation，ASR)属于车辆牵引力控制系统(TCS)，是一种能够在车辆驱动过程中提高车辆加速性能和保证车辆稳定性的主动安全系统，其原理是将驱动轮的滑转率控制在最佳滑转率附近，保证轮胎与地面之间具有良好的附着力，从而获得良好的驱动性能和操纵稳定性。ASR技术多用于在四轮电动汽车的防滑控制上，而对于双轮平衡车的驱动防滑技术目前研究较少。

ASR控制系统中一个非常重要的环节是驱动防滑系统的控制方法。目前应用比较广泛的驱动防滑产品中大部分采用的是逻揖门限值控制方法。逻揖门限值控制方法不涉及具体的数学模型，避免了复杂的理论计算和分析，简化了控制器的设计过程。但是控制器门限值需要经过反复试验才可得到，很大程度上依赖于经验，没有充分的理论依据。而且车辆实际运行过程中动态特性和路面附着条件是实时变化的，因此逻辑门限值控制鲁棒性不强，无法满足车辆在不同条件下的控制效果。由于逻辑门限值控制具有局限性，因此如何提高ASR 控制方法的自适应性和鲁棒性，改善其控制性能，成为一个受到广泛关注的研究方向。目前国内外学者提出的ASR控制策略按照控制变量大致可分为三类；滑转率控制、轮加速度和滑转率联合控制、直接扭矩控制；用到控制方法主要有：PID控制、最优控制、模糊遇辑控制、神经网络控制、淆模控制、模型跟踪控制等。

滑转率是判断车轮是否过度滑转的最直接依据，以滑转率作为驱动防滑控制的目标，响应迅速、控制直接，且容易实现，应用性比较强。因此在驱动控制中滑转率控制应用最为广泛。

然而滑转率控制首先需取得车体的运行状况，包括车体的真实速度，倾角、倾角变化率的运行工况，而现有技术中还未有对直接用于取得车体运行工况的系统元件。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种应用于双轮车驱动防滑系统的传感器电路系统，能够取得车体的真实速度，倾角、倾角变化率的车体运行工况，为双轮平衡车滑转率控制提供数据支持。

本实用新型采用如下技术方案：

一种应用于双轮车驱动防滑系统的传感器电路系统，包括三轴加速度计 1、陀螺仪传感器2、光电编码器3、微控制器7。

光电编码器3为两个，一个安装于车体的左驱动轮上，另一安装于车体的右驱动轮上，左驱动轮上的光电编码器获取左轮的旋转角速度ω1，右驱动轮上的光电编码器获取右轮的旋转角速度ω2，两个光电编码器将车轮旋转角速度信号转化为脉冲信号传递给微控制器7，在微控制器7中设计互补滤波器和卡尔曼滤波器对信号进行滤波，三轴加速度计1和陀螺仪传感器2安装于车体的中部，微控制器7的前侧，三轴加速度计1获得车身的水平前向、侧向以及垂直方向三个正交方向的加速度值ax、ay、az，陀螺仪传感器2获得车身水平前向、侧向以及垂直方向的自转角速度ωx、ωy、ωz。

三轴加速度计1和螺仪传感器2均将获得的计算度信号和自旋转角度信号通过IIC协议传输给微控制器7，在微控制器7中设计互补滤波器和卡尔曼滤波器进行信号的滤波处理。

微控制器7内互补滤波器计算出的的车体真实速度信号传递给平衡PID控制器，卡尔曼滤波器将得到车身倾角、倾角变化率的信号传递给PID控制器，两个PID为嵌套式PID。

1.本实用新型的三轴加速度计采用IIC协议进行数据传输，传输效率高，其内部自带ADC模块。

2.本实用新型在获得三轴加速度和角速度的模拟量信号后直接转化为数字量，通过内部的低通滤波器，有效消除了三轴加速度计的高频噪声，同时也能够满足采样的要求，可以直接求得ax、ay、az。

3.本实用新型将采样信号简单处理，获得了滑转率控制前车体运行工况的数据，具有简单、实用的特点，适宜推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的信号传递结构框图；

图2为三轴加速度计内部电路图；

图3为本实用新型的安装结构示意图。

图中：1-三轴加速度计、2-陀螺仪传感器、3-光电编码器、7- 微控制器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，本实用新型的一种应用于双轮车驱动防滑系统的传感器电路系统，包括三轴加速度计1、陀螺仪传感器2、光电编码器3、微控制器7。

光电编码器3为两个，一个安装于车体的左驱动轮上，另一安装于车体的右驱动轮上，左驱动轮上的光电编码器获取左轮的旋转角速度ω1，右驱动轮上的光电编码器获取右轮的旋转角速度ω2，两个光电编码器将车轮旋转角速度信号转化为脉冲信号传递给微控制器7，在微控制器7中设计互补滤波器和卡尔曼滤波器对信号进行滤波，三轴加速度计1和陀螺仪传感器2安装于车体的中部，三轴加速度计1获得车身的水平前向、侧向以及垂直方向三个正交方向的加速度值 ax、ay、az，陀螺仪传感器2获得车身水平前向、侧向以及垂直方向的自转角速度ωx、ωy、ωz。

三轴加速度计1和螺仪传感器2将获得的计算度信号和自旋转角度信号通过IIC协议传输给微控制器7，在微控制器7中设计互补滤波器和卡尔曼滤波器进行信号的滤波处理。

微控制器7内互补滤波器计算出的的车体真实速度信号传递给平衡PID控制器，卡尔曼滤波器将得到车身倾角、倾角变化率的信号传递给PID控制器，两个PID为嵌套式PID。

前面所述的陀螺仪传感器2、光电编码器3、微控制器7均为市售的常用元件，具体工能实现不依赖程序。

滑转率控制方法：

本实用新型采用最佳滑转率控制作为平衡车的主动驱动防滑控制方法，滑转率Sr表明车轮的打滑程度：(ω、r、vT分别为平衡车的驱动轮角速度、半径和车体真实速度)

最佳滑转率控制是通过控制驱动轮的轮滑转率尽可能接近最佳滑转率SO来充分利用地面的摩擦条件，使得平衡车在摩擦系数较低的路况条件获得良好的驱动能力，并能够保障平衡状态的稳定性。当 Sr＞SO时认为驱动轮开始滑转，Sr＜SO时认为驱动轮还未滑转，电机转矩由平衡PID控制器和速度PID控制器控制，SO由路面的静摩擦试验求得。

通过光电编码器获得左右驱动轮的旋转角速度ω1、ω2，通过加速度计和陀螺仪分别获得车身在水平前向、侧向以及垂直方向三个正交方向的加速度和自转角速度ax、ay、az、ωx、ωy、ωz。由以上数据，通过互补滤波算法和卡尔曼滤波器算法可以得到不受车轮打滑的平衡车真实速度vT以及车身的倾角、倾角变化率依据这两组数据可以对平衡车的平衡状态和速度状态进行PID控制，输出控制转矩Tmk。

由上述求得的vT、ω1、ω2以及式(1)可以求得两侧驱动轮各自在i时刻的滑转率Si，并根据计算出的平衡车各状态参数以及路面情况估计出最佳滑转率出SOi，通过式(2)、(3)计算出相应的驱动轮转矩Tmi。

式(2)为驱动轮的动力学方程，i＝1为左轮、i＝2为右轮。Fxi为第i个驱动轮的驱动力，由上述ax、ay、az拟合成的前向加速度与整车质量决定。Jw为驱动轮转动惯量，由驱动轮质量和半径经过均匀积分获得。mi为分配给左右轮的整车质量，由(3)式计算。m为整车质量。

最后进行滑转判断，若当前平衡车处于非滑转状态，则电机输出控制转矩c，若处于滑转状态，则输出输出控制转矩Tmk、Tmi中较小的转矩。这样的控制方式既保证了滑转率尽可能地处于最佳滑转率的附近，不至于发生滑转导致平衡车失衡，又能给平衡车提供最大的动力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。