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CN102798448B - 自平衡两轮车负载在线检测装置 - Google Patents

自平衡两轮车负载在线检测装置 Download PDF

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CN102798448B CN201210326838.0A CN201210326838A CN102798448B CN 102798448 B CN102798448 B CN 102798448B CN 201210326838 A CN201210326838 A CN 201210326838A CN 102798448 B CN102798448 B CN 102798448B
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Abstract

本发明公开了一种自平衡两轮车负载在线检测装置，其包括支撑台负载检测装置。该支撑台负载检测装置包括至少一组磁检测装置，每组磁检测装置包括永久磁体和磁性传感器；永久磁体通过弹性件支承于支撑台上，用于承受负载的压力；磁性传感器设置在支撑台的壳体内，用于检测由于该永久磁体与该磁性传感器之间的相对位移所引起的磁场变化，并输出检测信号。本发明能够以非接触的方式检测支撑台上的负载压力，从而避免了负载检测装置的磨损，延长了负载检测装置的使用寿命。

Description

自平衡两轮车负载在线检测装置
技术领域
本发明涉及一种自平衡两轮车负载在线检测装置。
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，采用蓄电池供电。自平衡电动两轮车的重心倒置于轮轴的上方，两个车轮平行共轴放置，且各由一伺服马达驱动，图1是驾驶者100驾驶自平衡两轮车200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，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100与自平衡两轮车200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，另一方面产生让车辆前进的加速以维持车体平衡。相反的，当驾驶者100的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。因此，驾驶者只要改变自己身体的角度往前或往后倾，自平衡两轮车就会根据倾斜的方向前进或后退。
车辆的负载质量和路面状况对车辆的操控性能影响很大，为了检测负载状况，若在自平衡两轮车200的支撑台表面设置压力传感器，由于压力传感器与人直接接触，容易发生磨损。并且，目前市面上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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种自平衡两轮车负载在线检测装置，其能够以非接触的方式检测支撑台上的负载压力，从而避免了负载检测装置的磨损，延长了负载检测装置的使用寿命。
本发明所要解决的进一步的技术问题在于提供一种自平衡两轮车负载在线检测装置，其能够对车上负载进行称重，以判断运行状态。
本发明所采用的技术方案是：一种自平衡两轮车负载在线检测装置，该自平衡两轮车包括支撑台，所述的支撑台包括壳体，其特点在于，该自平衡两轮车负载在线检测装置包括支撑台负载检测装置；该支撑台负载检测装置包括至少一组磁检测装置，每组磁检测装置包括永久磁体和磁性传感器；永久磁体通过弹性件支承于支撑台上，用于承受负载的压力；磁性传感器设置在支撑台的壳体内，用于检测由于该永久磁体与该磁性传感器之间的相对位移所引起的磁场变化，并输出检测信号。 
上述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其中，还包括一中央控制器，该中央控制器用于接收支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，并根据该检测信号判断自平衡两轮车的支撑台的受压状态。
本发明的优点是：
1、采用本发明可以检测到支撑台上的负载压力。当支撑台上施加负载后，永久磁体下方的弹性件发生压缩变形，永久磁体与磁性传感器之间产生相对位移，改变作用到磁性传感器上的磁场，从而改变磁性传感器的输出电压的大小。弹性件的压缩变形量（即永久磁体与该磁性传感器之间的相对位移量）与负载压力的大小成正比，而磁性传感器的输出电压大小与永久磁体和该磁性传感器之间的相对位移量成正比，使得利用磁性传感器可以检测到负载压力的大小；
2、本发明的磁性传感器设置在支撑台的壳体内，无须与负载直接接触，无磨损，不易损坏，具有较长的使用寿命；
3、本发明通过对检测到的压力数据进行综合计算，可实现对自平衡两轮车是否有人、驾驶者在车辆直行和转弯时的驾驶姿态、车辆是否在做自由落体或抛物线运行等进行在线检测和判断。通过该判断，自平衡两轮车内的中央控制器可发出提示或进行安全操作，从而方便了驾驶者对驾驶状态信息的掌握，并确保了其在驾驶过程中的安全。
附图说明
图1为驾驶者驾乘自平衡两轮车的状态示意图。
图2为根据本发明一实施例的磁检测装置的检测原理示意图。
图3为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置一实施例的原理框图。
图4为根据本发明另一实施例的磁性传感器的布置示意图。
图5为本发明平衡两轮车负载在线检测装置另一实施例的原理框图。
图6为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置又一实施例的原理框图。
图7是本发明的座位的一个实施例的结构示意图。
图8为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置再一实施例的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出进一步说明。
参考图2和图3。根据本发明一实施例的自平衡两轮车负载在线检测装置包括支撑台负载检测装置，该支撑台负载检测装置包括至少一组磁检测装置，每组磁检测装置包括一永久磁体11和一磁性传感器12。永久磁体11通过弹性件13支承于自平衡两轮车的支撑台21上，用于承受负载的压力。支撑台21具有一壳体，磁性传感器12设置在支撑台21的壳体内，与永久磁体11相对设置，用于检测由于永久磁体11与磁性传感器12之间的相对位移所引起的磁场变化，并输出检测信号。
永久磁体11可以是磁钢，磁性传感器可12以是线性霍尔传感器、巨磁阻传感器或磁阻传感器，弹性件13可以弹簧等弹性元件。在图3所示的实施例中，在支撑台21上设有弹性垫22，弹性垫22由弹性材料制成，永久磁体11设置在弹性垫22内，位于永久磁体11下方的部分弹性垫充当了上述的弹性件13。当人踩上弹性垫时，在重力作用下，弹性垫22发生弹性形变，带动安装在其内部的永久磁体向下运动，而人离开弹性垫时，弹性的弹性垫将恢复原形，带动安装在其内部的永久磁体向上运动，安装在电路板14上的磁性传感器12可检测到由于永久磁体的运动所引起的磁场变化，并可以根据磁场变化程度得到弹性材料的形变程度，从而检测是否有人登上自平衡两轮车，另外，也可以对人进行称重。
优选地，本发明的自平衡两轮车负载在线检测装置还包括一中央控制器3，中央控制器3接收支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，并根据该检测信号判断自平衡两轮车的支撑台的受压状态。
在图3的实施例中，中央控制器3包括与至少一组磁检测装置一一对应的至少一个负载压力查询单元311，每一负载压力查询单元311基于支撑台负载检测装置的磁性传感器12输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器12的输出电压与永久磁体11承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值。
为了获得车上负载的重量，以实现将重量用于调整自平衡两轮车的控制参数，使车辆的操控性能运行在最优状态，在一个优选实施方式中，中央控制器3还包括一总负载压力求和单元312和一载人状态检测检测单元313。总负载压力求和单元312将所有负载压力查询单元311得到的压力值求和，得到总负载压力ΣF，载人状态检测单元313将总负载压力求和单元312得到的总负载压力ΣF与一预设的载人阈值G1（G1例如为20kg）进行比较，若ΣF≥G1，则判断有驾驶者登上该自平衡两轮车。从而，也可以确定ΣF也就是负载的重量，中央控制器3可以根据该重量调整系统的控制参数，使车辆的操控性能运行在最优状态。
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，从而使车身维持在动态平衡状态。当驾驶者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，另一方面产生让车辆前进的加速以维持车体平衡。相反的，当驾驶者的重心往后倾时，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，控制系统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，控制系统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。另外，当自平衡两轮车在行驶过程中，如果遇到突发情况，驾驶者有可能做出跳车动作，此时两轮车处于无人驾驶状态，很容易造成事故。为了实现对轮速的控制以防止车轮着地时的冲击导致失去平衡以及实现开机后的人在线检测，在一个优选实施方式中，中央控制器3还包括一跳车和自由落体检测单元314。跳车和自由落体检测单元314用于接收载人状态检测单元313的检测结果和总负载压力求和单元312的计算结果，在载人状态检测单元313判断有驾驶者登上该自平衡两轮车后，当总负载压力ΣF小于预设的载荷阈值G2（G2例如为0.3Kg）时开始计时，如果总负载压力ΣF保持小于载荷阈值G2的时间大于等于事先设定的时间阈值T1（T1例如为2秒），则判断驾驶人员已离开该自平衡两轮车；如果总负载压力ΣF保持小于载荷阈值G2的时间小于该时间阈值T1，则判断该自平衡两轮车处于自由落体或抛物线运行状态，从而可以实现进一步的控制，保持或降低轮速以防止车轮着地时的冲击导致失去平衡。
参考图4和图5。在本发明的另一实施例中，支撑台21包括左脚支撑台211和右脚支撑台212。支撑台负载检测装置包括左脚支撑台负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置，左脚支撑台负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置均包括至少一组所述的磁检测装置，其中，左脚支撑台负载检测装置的磁性传感器设置在左脚支撑台211的壳体内，右脚支撑台负载检测装置的磁性传感器设置在右脚支撑台212的壳体内。
更具体地，考虑到单个磁性传感器的面积比较小，如图4所示，左脚支撑台负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置均包括三组磁检测装置。在左脚支撑台211的壳体内设有三个磁性传感器12a、12b和12c，在右脚支撑台212的壳体内设有三个磁性传感器12d、12e和12f。磁场传感器12b和12e设置在车辆的横向轴线X上，磁性传感器12a与12c之间、12d与12f之间分别关于横向轴线X对称，磁性传感器12a、12b、12c与磁性传感器12d、12e。12f相互对称地分别位于纵向轴线Y的两侧。本领域技术人员应当理解，图4仅仅作为示例，磁性传感器也可采用其他合适的数量和布置方式。
如图5所示，中央控制器3包括：与六组磁检测装置一一对应的六个负载压力查询单元321a～321f、左脚支撑台压力求和单元324、右脚支撑台压力求和单元325、总负载压力求和单元322和载人状态检测单元323。每一负载压力查询单元基于支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值。左脚支撑台压力求和单元324将与左脚支撑台负载检测装置相对应的所有负载压力查询单元321a～321c所得到的压力值求和，得到F1。右脚支撑台压力求和单元325将与右脚支撑台负载检测装置相对应的所有负载压力查询单元321d～321f所得到的压力值求和，得到F2。总负载压力求和单元322将左脚支撑台压力求和单元得到的压力值F1和右脚支撑台压力求和单元得到的压力值F2求和，得到总负载压力ΣF。载人状态检测单元323将总负载压力求和单元得到的总负载压力ΣF与预设的载人阈值G1进行比较，若ΣF≥G1，则判断有驾驶者登上该自平衡两轮车。
在人上车过程中，由于脚踩位置的不同，以及双脚分配人体重量的不同，有可能造成两个支撑台之间的压力差较大，在转弯时容易侧翻，不利于行车安全。为了检测到此种情况时，在一优选实施方式中，中央控制器还可设置一驾驶姿态检测单元326，其用于接收载人状态检测单元323的检测结果，在载人状态检测单元323判断有驾驶者登上该自平衡两轮车时，将F1与F2的差值的绝对值与预设的驾驶姿态阈值G3（例如为人体体重的十分之三）进行比较，若F1与F2的差值绝对值大于等于该驾驶姿态阈值G3，则判断驾驶者的驾驶姿态不正确，从而可提醒驾驶者合理分配两脚的体重。
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。为了检测到车辆转弯时的驾驶姿态，参考图6，在本发明的又一实施例中，该自平衡两轮车负载在线检测装置还包括一转弯检测传感器4，该转弯传感器4在检测到该自平衡两轮车转弯时，向中央控制器3输出一转弯信号。中央控制器3包括与至少一组磁检测装置一一对应的至少一个负载压力查询单元、与至少一个负载压力查询单元一一对应的至少一个转弯力矩计算单元、左脚支撑台力矩求和单元、右脚支撑台力矩求和单元和转弯姿态检测单元。在图6所示的实施方式中，中央控制器3包括与图4所示的六组磁检测装置一一对应的六个负载压力查询单元331a～331f、与该六个负载压力查询单元331a～331f一一对应的六个转弯力矩计算单元332a～332f。每一负载压力查询单元基于支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值。每一转弯力矩计算单元用于接收转弯传感器4的转弯信号，在接收到该转弯信号时，将负载压力查询单元的压力值乘以预先存储的力臂值（如图4所示，该力臂值为磁性传感器与纵向轴线Y之间的垂直距离），得到力矩值。左脚支撑台力矩求和单元333将与左脚支撑台负载检测装置相对应的所有转弯力矩计算单元332a～332c所得到的力矩值求和，得到M1。右脚支撑台力矩求和单元334将与右脚支撑台负载检测装置相对应的所有转弯力矩计算单元332d～332f所得到的力矩值求和，得到M2。转弯姿态检测单元335将M1与M2的差值的绝对值与预设的转弯姿态阈值G4进行比较，若大于等于该转弯姿态阈值G4，则判断转弯时驾驶者的驾驶姿态不正确，从而可以进一步提醒驾驶者或自动调整车速及转弯的灵敏度以确保安全驾驶。
参考图7至图8。在本发明的再一个实施例中，自平衡两轮车为坐立两用自平衡两轮车。在自平衡两轮车的载人平台上设有供人乘坐的座位。在该实施例中，该自平衡两轮车负载在线检测装置除了包括前述的支撑台负载检测装置外，还包括座位压力传感器6。较佳的是，座位5由诸如发泡材料之类的弹性材料制成，座位压力传感器6为薄膜压力传感器。当人坐上座位时，人的重力会导致安装在发泡材料上的薄膜压力传感器受到压力，而人离开座位时该压力消失，薄膜压力传感器能够检测到该压力并可以根据事先标定结果从而检测是否有人，同时也可以对人进行称重。
如图8所示，在一个较佳实施方式中，自平衡两轮车负载在线检测装置还包括一中央控制器3，中央控制器3包括：与至少一组磁检测装置一一对应的至少一个负载压力查询单元341、座位压力信号接收单元342、支撑台总负载压力求和单元343以及载人状态和驾驶状态检测单元344。每一负载压力查询单元341基于支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值；座位压力信号接收单元342用于接收座位压力传感器检测到的座位负载压力ΣF2。支撑台总负载压力求和单元343将所有负载压力查询单元得到的压力值求和，得到支撑台的总负载压力ΣF1。载人状态和驾驶状态检测单元344对从支撑台总负载压力求和单元343接收的支撑台总负载压力ΣF1与从座位压力信号接收单元342接收的座位负载压力ΣF2求和，得到总负载压力ΣF，并将该总负载压力ΣF与预设的载人阈值G1进行比较，若ΣF≥G1，则判断有驾驶者登上该自平衡两轮车；在判断有驾驶者登上该自平衡两轮车后，将ΣF2与G1进行比较，若ΣF2＜G1，则判断驾驶者采取站立姿态，若ΣF2≥G1，则判断驾驶者采取坐姿。

Claims (8)

1.一种自平衡两轮车负载在线检测装置，该自平衡两轮车包括支撑台，所述的支撑台包括壳体，其特征在于，
该自平衡两轮车负载在线检测装置包括支撑台负载检测装置和中央控制器； 
所述的支撑台负载检测装置包括至少一组磁检测装置，每组磁检测装置包括永久磁体和磁性传感器；
所述的永久磁体通过弹性件支承于所述的支撑台上，用于承受负载的压力；
所述的磁性传感器设置在所述的支撑台的壳体内，用于检测由于该永久磁体与该磁性传感器之间的相对位移所引起的磁场变化，并输出检测信号；
所述的中央控制器用于接收所述支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，并根据该检测信号判断自平衡两轮车的支撑台的受压状态；
其中：所述的支撑台包括左脚支撑台和右脚支撑台；所述的支撑台负载检测装置包括左脚支撑台负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置，左脚支撑台负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置均包括至少一组所述的磁检测装置；左脚支撑台负载检测装置的磁性传感器设置在左脚支撑台的壳体内，右脚支撑台负载检测装置的磁性传感器设置在右脚支撑台的壳体内。
2.如权利要求1所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，
所述的磁性传感器为线性霍尔传感器、巨磁阻传感器或磁阻传感器。
3.如权利要求1所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，该自平衡两轮车包括设置在支撑台上的弹性垫，该弹性垫由弹性材料制成，所述的永久磁体设置在该弹性垫内。
4.如权利要求1所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，所述的中央控制器包括：
与所述至少一组磁检测装置一一对应的至少一个负载压力查询单元，每一负载压力查询单元基于所述支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值；
左脚支撑台压力求和单元，用于将与所述左脚支撑台负载检测装置相对应的所有负载压力查询单元所得到的压力值求和，得到F1；
右脚支撑台压力求和单元，用于将与所述右脚支撑台负载检测装置相对应的所有负载压力查询单元所得到的压力值求和，得到F2；
总负载压力求和单元，用于将左脚支撑台压力求和单元得到的压力值F1和右脚支撑台压力求和单元得到的压力值F2求和，得到总负载压力ΣF；
载人状态检测单元，用于将总负载压力求和单元得到的总负载压力ΣF与预设的载人阈值G1进行比较，若ΣF≥G1，则判断有驾驶者登上该自平衡两轮车。
5.如权利要求4所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，所述的中央控制器还包括：
驾驶姿态检测单元，用于接收所述载人状态检测单元的检测结果，在所述载人状态检测单元判断有驾驶者登上该自平衡两轮车时，将F1与F2的差值的绝对值与预设的驾驶姿态阈值G3进行比较，若F1与F2的差值的绝对值大于等于该驾驶姿态阈值G3，则判断驾驶者的驾驶姿态不正确。
6.如权利要求1所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，
该自平衡两轮车负载在线检测装置还包括一转弯检测传感器，该转弯传感器在检测到该自平衡两轮车转弯时，向中央控制器输出一转弯信号；
所述的中央控制器包括：
与所述至少一组磁检测装置一一对应的至少一个负载压力查询单元，每一负载压力查询单元基于所述支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信号，通过查询预先存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的对应关系的电压-压力曲线，得到永久磁体承受的压力值；
与所述至少一个负载压力查询单元一一对应的至少一个转弯力矩计算单元，每一转弯力矩计算单元用于接收所述转弯传感器的转弯信号，在接收到该转弯信号时，将负载压力查询单元的压力值乘以预先存储的力臂值，得到力矩值；
左脚支撑台力矩求和单元，将与所述左脚支撑台负载检测装置相对应的所有转弯力矩计算单元所得到的力矩值求和，得到M1；
右脚支撑台力矩求和单元，将与所述右脚支撑台负载检测装置相对应的所有转弯力矩计算单元所得到的力矩值求和，得到M2；
转弯姿态检测单元，将M1与M2的差值的绝对值与预设的转弯姿态阈值G4进行比较，若大于等于该转弯姿态阈值G4，则判断转弯时驾驶者的驾驶姿态不正确。
7.如权利要求1所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，
在所述的支撑台上设有供人乘坐的座位；
所述的自平衡两轮车负载在线检测装置还包括设置在该座位上的座位压力传感器。
8.如权利要求7所述的自平衡两轮车负载在线检测装置，其特征在于，
所述的座位由弹性材料制成；
所述的座位压力传感器为薄膜压力传感器。
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