一种两轮智能平衡车及其控制方法
【专利说明】一种两轮智能平衡车及其控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于智能车领域，具体涉及一种两轮智能平衡车及其控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 两轮平衡车价格低廉，体积小，质量轻，便于移动与携带。与两轮电动车相比，方便 操作，灵活性高，可实现零半径转向。与独轮车相比，稳定性较好，安全系数较高。并且随着 现代控制理论、电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的不断发展，大大提高了 两轮平衡车的控制性能。目前，两轮平衡车已经成为了重要的研究对象，而且，控制技术已 经比较成熟。
[0003] 但是大多数人主要采用传统控制算法，使用直流有刷电机做一些相关的研究，所 以虽然平衡车稳定性较传统代步车较好，但是却不能够达到更高的稳定性和安全性的要 求。另外直流有刷电机由于内部加装了电流换向用的电刷和换向器，造成了电机结构复杂， 可靠性差，故障率高，维护工作量大，寿命短，换向火花容易产生电磁干扰。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种两轮智能平衡车及其控 制方法，提高了平衡车的稳定性和安全性。
[0005] 为了达到上述目的，本发明控制方法采用如下技术方案：
[0006] 包括主程序和定时中断程序，其中主程序包括以下步骤：
[0007] 步骤101、开始，初始化系统；
[0008] 步骤102、平衡车运行；
[0009] 步骤103、判断平衡车运行是否结束，如果结束，进入步骤104,如果没有结束，返 回步骤102 ;
[0010] 步骤104、结束；
[0011] 在步骤101之后，执行定时中断程序，进入定时中断程序时，主程序暂停，定时中 断程序结束后返回主程序暂停的位置；定时中断程序包括以下步骤：
[0012] 步骤2011、获取与平衡车两个车轮分别相连的两个电机的定子电压和绕组电流，
[0013] 步骤2012、按以下公式⑴分别计算获得电机转矩：
[0014]
[0015] 其中，K"转矩系数；％和抑分别为每个电机的定子磁链在α-β轴上的分量； ia、ie每个电机的定子电流在α-β轴上的分量；且：
[0016]
[0017]
[0018] u^Up每个电机的定子电压在α-β轴上的分量，Rs---定子电阻；
[0019] 步骤2013、通过电机转矩、磁链调节器以及矢量表生成两个电机所需要12路的 PWM，进行直接转矩控制，输出到电机，完成平衡车的控制。
[0020] 进一步地，步骤102的平衡车运行包括以下具体步骤：
[0021] 步骤1021、对平衡车上的按键进行扫描，判断用户是否有按下按键，如果有则执行 对应操作，如果没有则继续向下执行；
[0022] 步骤1022、进行障碍扫描，判断前方是否有障碍物；
[0023] 步骤1023、采集平衡车车底到地面的距离信息；
[0024] 在定时中断程序中，还包括以下两个任意顺序的步骤：
[0025] 步骤2001、避障控制，通过获取步骤1022中得到的障碍物信息，首先选择出平衡 车正前方180°范围内没有障碍物的所有方位，通过比较选出能够让平衡车通过障碍物的 方位，并且将符合条件的方位相比较，找出绕行半径最短的避障路线，按该避障路线行驶躲 避障碍物；
[0026] 步骤2002、通过获取步骤1023中采集到的距离信息来计算出该距离的方差，根据 方差的大小获取道路的平整度信息，进行路况判断，并调整平衡车行驶的最高行驶速度。
[0027] 进一步地，在定时中断程序中，还包括以下任意顺序的步骤：
[0028] 步骤2003、获取平衡车的角度和角速度信息，经过滤波后通过角度PID对平衡车 车体的角度进行调整；
[0029] 步骤2004、获取平衡车的实际速度，通过速度PID完成对速度的闭环控制；
[0030] 步骤2005、获取平衡车的操作杆的电压信号，并与参考电压比较，判断出转向的方 向和角度，并控制与平衡车两个车轮分别相连的两个电机差速运转完成转向。
[0031] 进一步地，步骤2002中最高行驶速度V_=RXVs，其中V_为不同路况所对应的 最高行驶速度，R为道路系数，〇 <R< 1，Vs为设定的最大速度。
[0032] 进一步地，在步骤102和步骤103之间还有人机交互的步骤，包括蜂鸣器控制、LED 灯控制和显不屏显不。
[0033] 本发明平衡车的技术方案是：包括传感器部分、驱动电机部分和控制部分，传感器 部分连接控制部分，控制部分连接驱动电机部分，其中，
[0034] 驱动电机部分包括驱动电路和两个分别与平衡车车轮相连的电机；传感器部分包 括用于获取电机定子电压的电压传感器，以及用于获取电机绕组电流的电流传感器；
[0035] 控制部分用于接收传感器部分获取的定子电压和绕组电流，并对电机进行直接转 矩控制。
[0036] 进一步地，传感器部分还包括用于采集车身偏移的角速度的数字陀螺仪，用于采 集车身偏移角度的加速度计，用于采集实际速度的编码器，用来采集方向控制量的操作杆， 用来检测障碍情况的避障传感器和用来检测路况的红外传感器。
[0037] 进一步地，控制部分还与人机交互部分相交互，人机交互部分包括无线通信模块、 按键、显示屏、蜂鸣器和LED灯。
[0038] 进一步地，平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制 部分相交互。
[0039] 进一步地，电机采用无刷直流电机。
[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0041] 本发明控制方法中采用直接转矩控制，是一种高性能的交流调速传动控制技术， 由于它计算的输入量只需要定子电压和绕组电流，所以无需位置传感器，节约了成本并且 稳定了性能，其次由于它最终输出量是一个精确的转矩，不用在一个模糊范围内细调，所以 大大提高了响应特性，完成车体自平衡的精确控制，有效提高了平衡车的稳定性和安全性。
[0042] 进一步地，本发明通过进行路况判断，并调整平衡车行驶的最高行驶速度，强化自 平衡控制以提高安全系数。
[0043] 本发明平衡车采用传感器获取定子电压和绕组电流来控制电机，可靠性高，稳定 性好，适应性强，维修和保养简单，寿命更长。
[0044] 进一步地，本发明通过设置数字陀螺仪和加速度计，能够获取车体的角度和角速 度，便于进行角度PID控制，使车体能平稳的保持直立。
[0045] 进一步地，本发明通过设置摄像头，实现平衡车的无人侦察功能和车底路况拍摄， 提尚运彳丁安全性。
[0046] 进一步地，本发明平衡车采用的直流无刷电机摒弃了传统的电刷和换向器，相比 之下，本发明平衡车车体的稳定性和可控性更强，尤其是电机故障率有效降低，后期的维修 和保养也比较简单。整车的系统性能大幅度提升，其产品具有更大的市场价值和经济效益。 【【附图说明】】
[0047] 图1为本发明的系统总框图。
[0048] 图2为本发明的硬件结构图。
[0049] 图3为本发明的主程序流程图。
[0050] 图4为本发明的中断程序流程图。 【【具体实施方式】】
[0051] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0052] 图1为系统的总