专利名称：用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及交通工具辅助驾驶，更具体地，是一种用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法。
背景技术：
自平衡电动两轮车是一种绿色环保的个人交通工具。它采用蓄电池供电，其重心倒置于轮轴的上方，两个车轮平行共轴放置，且各有一伺服马达驱动。如图1所示，是驾驶者10使用自平衡两轮车20的状态示意图。在非控制的状态下，该系统为一不稳定系统。当系统正常工作时，两轮车20的控制器接受车身姿态传感器的信息，并根据倒立摆系统的工作原理，控制伺服电动机动作，从而使车身维持在一动态平衡状态。当驾驶者10与自平衡两轮车20的总体重心前倾斜时，车身内的内置伺服电动机会产生往前的力量，一方面平衡人10与车20往前倾倒的扭矩，另方面产生让车辆20前进的加速以维持车体平衡，相反的，当驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。因此，驾驶者10只要改变自己身体的角度往前或往后倾，自平衡两轮车20就会根据倾斜的方向前进或后退。自平衡两轮车20内的控制系统是一多变量、强耦合、非线性和时变的复杂系统，车辆的负载质量和路面状况对车辆的操控性能影响很大，当车辆载重增大时，车辆响应速度变慢，容易造成自平衡两轮车失去平衡，而当车辆载重减小时，车辆的响应速度加快，容易造成系统震荡，低速时出现抖动等现象。由于开发难度较大，目前市面上的的自平衡两轮车均没有负载称重功能，所以对驾驶者的体重要求较高，使得部分过轻或过重的人无法驾驶自平衡两轮车。因此，需要一种创新的装置和方法，使得不需要过多的技术开发或者部件增设，SP可以实现根据车辆载重情况的变化，来实现对车辆状态的正确检测和判定，进而根据该状态信息，调整平衡参数，使车辆的操控性能运行在最优状态。
发明内容
本发明的一个目的，在于提供一种新的用于自平衡两轮车的状态检测装置。本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置，包括:第一压力传感器，所述第一压力传感器安装在该自平衡两轮车的第一轮胎上，用于测量第一轮胎的压力；第二压力传感器，所述第二压力传感器安装在该自平衡两轮车的第二轮胎上，用于测量第二轮胎的压力；与所述第一压力传感器和第二压力传感器相连接的信号处理器，用于对测量的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据进行数据处理；与信号处理器相连接的第一无线收发器，用于发送经所述信号处理器处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据；与所述第一无线收发器相匹配的第二无线收发器，用于接收由第一无线收发器发出的所述经处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据；与第二无线收发器相连接的中央控制单元，用于接收所述经处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据，并根据前一状态和当前状态下的第一轮胎的压力变化值和第二轮胎的压力变化值，确定该自平衡两轮车当前的运行状态。本发明的另一个目的，在于提供一种自平衡两轮车的状态检测方法。本发明的用于自平衡两轮车的状态检测方法，包括以下步骤:a，分别测量上一状态下该自平衡两轮车的两个轮胎的第一状态压力值；b，分别测量当前状态下所述两个轮胎的当前状态压力值，并根据所述第一状态压力值和当前状态压力值，计算两个轮胎在上一状态和当前状态下的压力变化量；C，根据所述两个轮胎的压力变化量，判断该自平衡两轮车的运行状态。优选地，所述步骤a中，将该自平衡两轮车空载时的状态设定为第一状态；所述步骤b中，将驾驶者站立在自平衡两轮车上时的状态设定为当前状态；所述步骤c中，包括判断驾驶者驾驶姿态的步骤，该步骤包括:确定驾驶者在标准驾驶姿态下的标准称重值；将压力变化量与该标准称重值相比较，确定驾驶者的驾驶姿态是否正确。优选地，所述步骤c中，包括判断驾驶中路面状况判断步骤，该步骤包括:当该压力变化量大于该两个轮胎的第一状态压力值的平均值的5%时，判断当前状态下的路况为崎岖不平路面。优选地，所述步骤c中，包括判断驾驶中转向状态判断步骤，该步骤包括:当所述一个轮胎的压力变化量为负值，并且另一个轮胎的压力变化量为正值时，判断当前状态为转弯状态。优选地，所述步骤c中，包括判断驾驶中自由落体状态步骤，该步骤包括:当该压力变化量等于该自平衡两轮车的车体重量与负载重量的加和时，判断当前的状态为自由落体状态。优选地，所述步骤c中，包括判断该自平衡两轮车是否处于无人驾驶状态的步骤，该步骤包括:当该压力变化量等于该自平衡两轮车的负载重量时，判断当前的状态为无人驾驶状态。本发明的再一个目的，在于提供一种对自平衡两轮车的载重进行称重的方法。本发明的对自平衡两轮车的载重进行称重的方法，包括以下步骤:a,为自平衡两轮车的两个轮胎分别设定待标定的第一参数Pl和第二参数P2，并测量空载时该两个轮胎各自的压力值Fsl、Fs2 ；b，将两块质量均为Ml的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fel、Fe2 ；C，将两块质量均为M2的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fe3、Fe4，其中所述M2与Ml不同；d，根据以下等式确定P1、P2:2M1 = PlX (Fel-Fsl)+P2X (Fe2_Fs2)，以及2M2 = PlX (Fe3_Fsl)+P2X (Fe4_Fs2)；
e,当该自平衡两轮车处于载重状态下时，根据下式计算载重L:L = PlX AF1+P2X AF2，其中，AFl、AF2分别为载重状态下和空载状态下该两个轮胎的压力变化量。本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法，根据安装在左右轮胎中的胎压传感器，计算轮胎压力的变化，进而得到系统的运行状态。控制系统可根据该判断出的状态，实时调整平衡控制参数，或者对驾驶者发出安全行驶提醒，从而保证车辆的操控性能运行在最优状态。
图1为驾驶者驾驶自平衡两轮车的状态示意图；图2为本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置的组成示意图；图3为本发明的用于自平衡两轮车的状态检测方法的流程示意图。
具体实施例方式以下根据附图和具体实施方式
，对本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法的组成、步骤进行更详细说明。总体而言，本发明的特点，在于利用安装在自平衡两轮车两个轮胎上的压力传感器所测得的压力值在不同状态下的变化量，来对自平衡两轮车的状态进行判断，例如驾驶者驾驶姿态是否正常、路面状态、转向状态、自由落体状态或者无人驾驶状态等。自平衡两轮车内的中央控制单元进一步根据以上状态判定，可对驾驶者提出相应建议，或者直接对自平衡两轮车进行控制。如图2所示，是本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置的组成示意图，结合图1，具体地，该用于自平衡两轮车的状态检测装置，包括:第一压力传感器116，该第一压力传感器116安装在该自平衡两轮车20的第一轮胎21上，用于测量第一轮胎21的压力；第二压力传感器118，第二压力传感器118安装在该自平衡两轮车20的第二轮胎22上，用于测量第二轮胎22的压力；与第一压力传感器116和第二压力传感器118相连接的信号处理器120，用于对测量的第一轮胎21的压力数据和第二轮胎22的压力数据进行数据处理；与信号处理器120相连接的第一无线收发器130，用于发送经信号处理器120处理后的第一轮胎21的压力数据和第二轮胎22的压力数据；与第一无线收发器130相匹配的第二无线收发器210，用于接收由第一无线收发器130发出的所述经处理后的第一轮胎21的压力数据和第二轮胎22的压力数据；与第二无线收发器210相连接的中央控制单元220，用于接收经处理后的第一轮胎21的压力数据和第二轮胎22的压力数据，并根据前一状态和当前状态下的第一轮胎21的压力变化值和第二轮胎22的压力变化值，确定该自平衡两轮车20当前的运行状态。第一压力传感器116、第二压力传感器118、信号处理器120以及第一无线收发器130共同组成信号采集端100。第二无线收发器210和中央控制单元220共同组成信号接收及处理端200。具体地，所述第一压力传感器116和第二压力传感器118均采用常规的可对自平衡两轮车的轮胎压力进行检测的压力传感器；信号处理器120采用常规的信号处理设备，并且对第一压力传感器116和第二压力传感器118输出的传感信号进行处理的过程与现有技术相同，例如包括模数转换、滤波、放大等常规的信号处理步骤。第一无线收发器130和第二无线收发器210采用常规的无线发射设备。中央控制单元220作为控制单元，用于接收第二无线收发器210发出的信号，并根据这些信号进行运行状态判定以及进一步地对自平衡两轮车的运行状态进行控制。对于本发明而言，中央控制单元220可根据第一压力传感器116和第二压力传感器118检测到的第一轮胎21和第二轮胎22的胎压，对自平衡两轮车的运行状态进行判定。这将在以下对本发明的用于自平衡两轮车的状态检测方法的描述中进行详细说明。如图3所示，是利用上述装置的用于自平衡两轮车的状态检测方法的流程图。该方法包括步骤S100-S300。在步骤SlOO中，分别测量上一状态下该自平衡两轮车的两个轮胎的第一状态压力值；在步骤S200中，分别测量当前状态下所述两个轮胎的当前状态压力值，并根据上述第一状态压力值和当前状态压力值，计算两个轮胎在上一状态和当前状态下的压力变化量；在步骤S300中，根据所述两个轮胎的压力变化量，判断该自平衡两轮车的运行状态。以下进一步结合附图1、2、3，对各步骤进行更详细说明。步骤S100。该步骤中，利用第一压力传感器116和第二压力传感器118，对上一状态下自平衡两轮车20的第一轮胎21和第二轮胎22的压力值进行测量。测量后经信号处理单元120处理后，可通过第一无线收发器130、第二无线收发器210输送到中央控制单元220 内。步骤S200。该步骤中，利用第一压力传感器116和第二压力传感器118，对当前状态下自平衡两轮车20的第一轮胎21和第二轮胎22的压力值进行测量。同样地，测量后经信号处理单元120处理后，可通过第一无线收发器130、第二无线收发器210输送到中央控制单元220内。步骤S300。该步骤中，通过当前状态相比于上一状态的压力变化值，判断自平衡两轮车的运行状态。当对运行状态进行判断后，中央控制单元可根据实际情况发出提示，或者对自平衡两轮车的运行状态进行控制调整。上述的运动状态判定可包括驾驶者的驾驶姿态判定、当前驾驶的路面状态判定、转向状态判定、自由落体状态判定、无人驾驶状态判定等。以下结合各实施方式，对以上各状态判定的方法进行详细说明。实施例1，驾驶姿态判断。在该实施例中，可以利用压力变化量，对驾驶者的驾驶姿态正确与否进行判断。这是因为，在驾驶者的过程中，由于驾驶姿态的不正确，例如脚踩位置的不同以及双脚分配人体重量的不同，有可能造成两个轮胎的前后压力变化相差较大，这会导致在转弯时容易出现侧翻等事故，不利于行车安全。通过本发明，可当驾驶姿态不正确时，对驾驶者进行提醒，让其调整站立位置或者两脚合理分配体重。具体地:在步骤100中，将该自平衡两轮车空载时的状态设定为第一状态；在步骤200中，将驾驶者站立在自平衡两轮车上时的状态设定为当前状态；在步骤300中，包括判断驾驶者驾驶姿态的步骤，该步骤包括:(I)确定驾驶者在标准驾驶姿态下的标准称重值；(2)将压力变化量与该标准称重值相比较，确定驾驶者的驾驶姿态是否正确。该标准称重值是指在正确站立时驾驶者的重量。例如，如果压力变化量超过了该标准称重值的1/10，则判断为驾驶者的驾驶姿态不正确，此时中央控制器发出提示，提醒驾驶者站好位置，或者两脚合理分配体重。实施例2,路面状况判断。在该实施例中，可以根据压力变化量，对路况进行判断。当自平衡两轮车行驶在不同路况的路面上时，例如平坦路面和崎岖不平的路面，安装在轮胎21、22内的两个压力传感器116和118能够采集到不同路面带来的压力变化。如平坦路面上轮胎压力周期性变化的幅值较小，排除轮胎温度对压力的影响，轮胎压力变化小于轮胎平均气压的5 %，而在崎岖不平路面上行驶时，压力传感器能够采集到变化较大的尖峰压力值，排除轮胎温度对压力的影响，轮胎压力变化在轮胎平均气压的5% -10%之间，个别较大的颠簸轮胎压力变化能够超出轮胎平均气压的10%，但是该尖峰压力值一半时间都很短，多数小于0.5s,因此，可以通过压力值变化的幅值和持续时间即可识别平坦路面和崎岖不平路面。在识别出行驶在崎岖不平路面上时，此时可以建议驾驶者降低车速或自动降低车速以确保安全驾驶。因此，在步骤300中，可包括判断驾驶中路面状况判断步骤，该步骤包括:当该压力变化量大于两个轮胎的第一状态压力值的平均值的5%时，判断当前状态下的路况为崎岖不平路面。从而可对驾驶者提出相应的减速建议。容易理解，该实施方式中，第一状态压力值的测定，在驾驶者上车后进行。实施例3，转向状态判断。在该实施例中，可以利用胎压变化量，对车辆在行驶过程中的转向状态进行判定。具体地，在步骤300中，可包括判断驾驶中转向状态判断步骤，该步骤包括:当所述一个轮胎的压力变化量为负值，并且另一个轮胎的压力变化量为正值时，判断当前状态为转弯状态。当自平衡两轮车在转弯时，由于自平衡两轮车的重心较高，如果速度过快，在离心力的作用下，转弯侧车轮有可能脱离地面从而导致翻车，在此种情况下，胎压传感器能够检测到两侧轮胎的压力变化，如转弯侧压力变小而另一侧压力变大，配合转弯信号，中央控制单元识别正在转弯时，两侧轮胎的压力是否有明显的变化，通过轮胎压力变化可以判断出车向哪一侧倾斜，如转弯侧压力变小而另一侧压力变大，则车向外侧倾斜，如转弯侧压力变大而另一侧压力变小，则车向内侧倾斜，从而可以判断出是转弯不足还是转弯过大，可以建议驾驶者或自动调整车速及转弯的灵敏度以确保安全驾驶。实施例4，自由落体状态判断。在该实施例中，可以对自平衡两轮车是否做自由落体或抛物线运动进行判断。判断方法为，在步骤300中，包括判断驾驶中自由落体状态步骤，该步骤包括:当该压力变化量等于该自平衡两轮车的车体重量与负载重量的加和时，判断当前的状态为自由落体状态。具体地，由于自平衡两轮车是根据倒立摆系统的工作原理，控制伺服电动机动作，从而使车身维持在一动态平衡状态。当驾驶人与车辆的总体重心前倾斜时，车身内的内置伺服电动机会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，另方面产生让车辆前进的加速以维持车体平衡，相反地，当驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。当自平衡两轮车在做自由落体或抛物线运动时，其姿态传感器可能检测到的车体姿态向前倾斜，这样控制单元将控制车轮快速向前转动以保持平衡，同样，若姿态传感器检测到车体姿态向后倾斜，这样控制单元将控制车轮快速向后转动以保持平衡，由于此时车轮悬空，即正处于空载状态，可能导致车轮过快的向前或向后转动，从而在轮胎接地的瞬间使车失去平衡，导致发生翻车事故。当自平衡两轮车在做自由落体或抛物线运动时，由于轮胎处于悬空状态，此时轮胎并不承担车和人的重量，胎压传感器能够检测到两个轮胎的压力均突然变小，且压力变化值等于车体重量加上车上负载重量，中央控制单元经过识别后，可以保持或降低轮速以防止车轮着地时的冲击导致失去平衡。实施例5，无人驾驶状态判断。该实施例中，包括对是否为无人驾驶状态进行判断。具体地，在步骤300中，包括判断该自平衡两轮车是否处于无人驾驶状态的步骤，该步骤包括:当该压力变化量等于该自平衡两轮车的负载重量时，判断当前的状态为无人驾驶状态。当自平衡两轮车在行驶过程中，如果遇到突发情况，驾驶者有可能作出跳车动作，此时两轮车处于无人驾驶状态，很容易造成事故，为保证安全，需要对人是否在车上进行在线检测，由于人下车相当于车上一个很大的负载卸下，胎压传感器能够检测到两个轮胎的压力均突然变小，且压力变化值等于车上负载重量，如果中央控制单元检测到车上负载消失一段时间(例如2s)，即可判定驾驶者已不在车上，可以降低轮速并停车以保证安全。另外，本发明还提供了一种利用上述装置对自平衡两轮车的载重进行称重的方法，该方法包括以下步骤:1，为自平衡两轮车的两个轮胎分别设定待标定的第一参数Pl和第二参数P2，并利用测量空载时该两个轮胎各自的压力值Fsl、Fs2。结合图2，利用第一压力传感器116和第二压力传感器118测量空载时的压力值Fsl、Fs2,然后通过第一无线收发器130和第二无线收发器210输送到中央控制单元220。2，类似地，将两块质量均为Ml的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fel、Fe2。3，进一步地，将两块质量均为M2的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fe3、Fe4，其中所述M2与Ml的值不同。4，根据以下等式确定P1、P2:2M1 = PlX (Fel-Fsl)+P2X (Fe2_Fs2)，以及2M2 = PlX (Fe3_Fsl)+P2X (Fe4_Fs2)；5，当该自平衡两轮车处于载重状态下时，根据下式计算载重L:L = PlX AF1+P2X AF2，其中，AFl、AF2分别为载重状态下和空载状态下该两个轮胎的压力变化量。该重量可以用于调整系统的控制参数，使车辆的操控性保持在最优状态。综上所述，本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法，根据安装在左右轮胎中的胎压传感器，计算轮胎压力的变化，进而得到系统的运行状态。控制系统可根据该判断出的状态，实时调整平衡控制参数，或者对驾驶者发出安全行驶提醒，从而保证车辆的操控性能运行在最优状态。
权利要求
1.一种用于自平衡两轮车的状态检测装置，其特征在于，包括: 第一压力传感器，所述第一压力传感器安装在该自平衡两轮车的第一轮胎上，用于测量第一轮胎的压力； 第二压力传感器，所述第二压力传感器安装在该自平衡两轮车的第二轮胎上，用于测量第二轮胎的压力； 与所述第一压力传感器和第二压力传感器相连接的信号处理器，用于对测量的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据进行数据处理； 与所述信号处理器相连接的第一无线收发器，用于发送经所述信号处理器处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据； 与所述第一无线收发器相匹配的第二无线收发器，用于接收由第一无线收发器发出的所述经处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据； 与所述第二无线收发器相连接的中央控制单元，用于接收所述经处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据，并根据前一状态和当前状态下的第一轮胎的压力变化值和第二轮胎的压力变化值，确定该自平衡两轮车当前的运行状态。
2.一种用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤: a，分别测量上一状态下该自平衡两轮车的两个轮胎的第一状态压力值； b，分别测量当前状态下所述两个轮胎的当前状态压力值，并根据所述第一状态压力值和当前状态压力值，计算两个轮胎在上一状态和当前状态下的压力变化量；c，根据所述两个轮胎的压力 变化量，判断该自平衡两轮车的运行状态。
3.根据权利要求2所述的用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于， 所述步骤a中，将该自平衡两轮车空载时的状态设定为第一状态； 所述步骤b中，将驾驶者站立在自平衡两轮车上时的状态设定为当前状态； 所述步骤c中，包括判断驾驶者驾驶姿态的步骤，该步骤包括: 确定驾驶者在标准驾驶姿态下的标准称重值； 将压力变化量与该标准称重值相比较，确定驾驶者的驾驶姿态是否正确。
4.根据权利要求2所述的用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于，所述步骤c中，包括判断驾驶中路面状况判断步骤，该步骤包括: 当该压力变化量大于该两个轮胎的第一状态压力值的平均值的5%时，判断当前状态下的路况为崎岖不平路面。
5.根据权利要求2所述的用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于，所述步骤c中，包括判断驾驶中转向状态判断步骤，该步骤包括: 当所述一个轮胎的压力变化量为负值，并且另一个轮胎的压力变化量为正值时，判断当前状态为转弯状态。
6.根据权利要求2所述的用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于，所述步骤c中，包括判断驾驶中自由落体状态步骤，该步骤包括: 当该压力变化量等于该自平衡两轮车的车体重量与负载重量的加和时，判断当前的状态为自由落体状态。
7.根据权利要求2所述的用于自平衡两轮车的状态检测方法，其特征在于，所述步骤c中，包括判断该自平衡两轮车是否处于无人驾驶状态的步骤，该步骤包括:当该压力变化量等于该自平衡两轮车的负载重量时，判断当前的状态为无人驾驶状态。
8.一种对自平衡两轮车的载重进行称重的方法，其特征在于，包括以下步骤:a,为自平衡两轮车的两个轮胎分别设定待标定的第一参数Pl和第二参数P2，并测量空载时该两个轮胎各自的压力值Fsl、Fs2 ； b，将两块质量均为Ml的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fel、Fe2 ； c，将两块质量均为M2的载重物分别设置在自平衡两轮车上供驾驶者双脚踩踏的位置，并测量此时该两个轮胎各自的压力值Fe3、Fe4，其中所述M2与Ml不同；d，根据以下等式确定P1、P2: 2M1 = PlX (Fel-Fsl)+P2X (Fe2_Fs2)，以及2M2 = PlX (Fe3-Fsl)+P2X (Fe4_Fs2)； e，当该自平衡两轮车处于载重状态下时，根据下式计算载重L: L = PlX AF1+P2X AF2, 其中，AF1、ΛF2分别为载重状态 下和空载状态下该两个轮胎的压力变化量。
全文摘要
本发明公开了一种用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法，该装置，包括第一压力传感器，用于测量第一轮胎的压力；第二压力传感器，用于测量第二轮胎的压力；与所述第一压力传感器和第二压力传感器相连接的信号处理器；与信号处理器相连接的第一无线收发器；与第一无线收发器相匹配的第二无线收发器；与第二无线收发器相连接的中央控制单元，用于接收所述经处理后的第一轮胎的压力数据和第二轮胎的压力数据，并根据前一状态和当前状态下的第一轮胎的压力变化值和第二轮胎的压力变化值，确定该自平衡两轮车当前的运行状态。本发明的用于自平衡两轮车的状态检测装置和方法，可对自平衡两轮车的运行状态进行判断。
文档编号G01D21/02GK103162738SQ201110428330
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者兰天, 陈养彬, 方继勇, 王建宽 申请人:上海新世纪机器人有限公司