CN103529850A - 两轮自平衡车控制方法 - Google Patents

Abstract

一种两轮自平衡车控制方法，包括以下步骤：（1）初始化；（2）分别读取陀螺仪、加速度计和转角传感器的值以及编码器的脉冲个数；（3）求取车体倾角、车把转角、电机转速和车速；（4）然后通过PID控制算法分别计算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；（5）将三个PWM值叠加在一起输出给左、右电机；（6）接着发送陀螺仪、加速度计、车体倾角、电池电压、电机电流和车速的数据给上位机，以监控整车的运行状态；（7）当监控到电池电压低于预设值、电机电流或者车速大于预设值时，则打开相应的LED警示灯；（8）当监控到车体倾角大于预设角度时，就判定为车体跌倒，并停止运行，重新回到初始化程序当中。本发明采用更精确的运算方法。

Description

两轮自平衡车控制方法

技术领域

本发明涉及两轮自平衡车，尤其是两轮自平衡车控制方法。

背景技术

自平衡电动车自动平衡运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-State Gyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。目前的平衡车允许使用者在骑行时随意摇晃，其上的控制系统会自动进行驱动电机处理进行平衡修正；由于现有的控制系统的算法缺陷，导致驱动电机处理平衡修正的时间较长，使该种类型的自平衡车在使用时存在的风险较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种两轮自平衡车控制方法，包括以下步骤：

（1）两轮自平衡车上电运行后，系统首先进入各初始化程序，包括锁相环初始化、AD转换初始化、定时器初始化、PWM初始化与和端口初始化；

（2）然后延时1s等待系统稳定后，接着读取陀螺仪、加速度计和转角传感器初值，再延时1s等待参数变化；

（3）程序设定了1ms中断函数，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期间同时进行；当1ms中断产生时，则分别读取陀螺仪、加速度计和转角传感器的值以及编码器的脉冲个数；

（4）通过卡尔曼滤波来进行陀螺仪和加速度计数据融合滤波，求取车体倾角；通过转角传感器的值计算车把转角；通过编码器的脉冲个数计算电机转速和车速；

（5）然后通过PID控制算法分别计算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；

（6）将三个PWM值叠加在一起输出给左、右电机；

（7）接着发送陀螺仪、加速度计、车体倾角、电池电压、电机电流和车速的数据给上位机，以监控整车的运行状态；

（8）当监控到电池电压低于预设值、电机电流或者车速大于预设值时，则打开相应的LED警示灯；当监控到车体倾角大于预设角度时，就判定为车体跌倒，并停止运行，重新回到初始化程序当中。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

本发明采用更精确的运算方法，使驱动电机处理平衡修正的时间更短，降低自平衡车在使用时存在的风险。

附图说明

图1为本发明控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种两轮自平衡车控制方法，包括以下步骤：

（1）两轮自平衡车上电运行后，系统首先进入各初始化程序，包括锁相环初始化、AD转换初始化、定时器初始化、PWM初始化与和端口初始化；

（2）然后延时1s等待系统稳定后，接着读取陀螺仪、加速度计和转角传感器初值，再延时1s等待参数变化；

（3）程序设定了1ms中断函数，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期间同时进行；当1ms中断产生时，则分别读取陀螺仪、加速度计和转角传感器的值以及编码器的脉冲个数；

（4）通过卡尔曼滤波来进行陀螺仪和加速度计数据融合滤波，求取车体倾角；通过转角传感器的值计算车把转角；通过编码器的脉冲个数计算电机转速和车速；

（5）然后通过PID控制算法分别计算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；

（6）将三个PWM值叠加在一起输出给左、右电机；

（7）接着发送陀螺仪、加速度计、车体倾角、电池电压、电机电流和车速的数据给上位机，以监控整车的运行状态；

（8）当监控到电池电压低于预设值、电机电流或者车速大于预设值时，则打开相应的LED警示灯；当监控到车体倾角大于预设角度时，就判定为车体跌倒，并停止运行，重新回到初始化程序当中。

相关值计算aa+=P_enc*enc_anglespeed*dt*0.001+(1-P_enc)*(acc_angle-angle)；//倾角计算；

aa:陀螺仪与加速度计融合后得出的倾角；

P_enc：比例系数；

enc_angkespeed：陀螺仪的AD值；

dt:陀螺仪积分时间；

acc_angle:角速度AD值；

angle：倾角。

PWM_angle=(int)(pp*angle+D_angle*enc_anglespeed);//直立PWM计算；

PP:比例系数；

D_angle:微分系数；

PWM_angle：直立PWM值。

PWM_turn=(int)(P_turn*turn)；//转向PWM计算；

P_turn：转向比例系数；

turn:转向传感器的AD值；

PWM_turn;转向PWM值。

1、两轮自平衡车各零部件参数设计及计算

单轴代步电动车参数设计主要是确定总体结构尺寸、质量参数、主要性能参数、电机额定参数、传动比大小、电池容量大小等等。

1.1、整车结构参数

（1）外廓尺寸

代步车注重的是便携、灵活性，车体在地面投影面积与人的肩宽差不多。因此，初定整体外廓尺寸为长680mm,宽360mm,高1140mm，其中踏板高度为250mm。

（2）轮距

对于代步车来说，轮距变化主要与影响到侧倾刚度。增大轮距，有利于增加侧倾刚度，横向稳定性好，但伴随的是整车长度和质量的增加。因此，综合考虑后选择轮距为600mm。

（3）质量参数

代步车质量占比最大的是锂电池组、电机、减速器和车轮，质量越大，耗电越多，从而降低巡航里程。为了控制质量值，车体部分采用了桁架式结构，踏板和车外壳采用碳纤维结构，确保美观同时最大限度减轻整车质量。

由于各部件的详细质量不知道，整车整备质量无法精确获得。但为了从节能环保、灵活轻便出发，整车整备质量初选为40kg，载质量为100kg。（4）主要性能参数

根据调查，一般代步车最高车速为15-25km/h，从静止加速到最高车速所用时间为2-5s，能爬上的最高坡度为15-30°；因此确定单轴代步电动车动力性参数为：最高车速20km/h，加速时间3s，最大爬坡度20°。由于代步车作为短程代步交通工具，车速不宜过高，否则容易造成不稳定性，降低安全系数；加速时间是在车体允许的倾角下在平缓水泥路面连续加速到最高车速所用的时间，代步车反应灵敏，一般用很少时间就能达到高速运行状态；代步车为平路使用较多，偶尔会遇到上坡情况，因而设定最大爬坡态度20°，以满足不同人群的需求。

由于代步车左右电机均可独立控制，通过控制系统实现转向差速控制，因此最小转弯半径为零，机动灵活。

1.2、电机参数

代步车一切动作都是由电机完成，电机参数确定非常关键，必须选择合适的电机来满足整车使用要求。电机功率越大，动力性越好，但也伴随着质量增加、体积增大、价格上升。因此，电机参数设计关键是确定电机的额定功率。

本文中的代步车以最高车速运行时为额定工况，所需功率：

$P=\frac{1}{\mathrm{\η}}(\frac{G{\mathrm{fu}}_a}{3600}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}_a^3}{76140})$

（2-1）

其中，η为传动效率，G为作用在汽车上的重力（N），f为滚动阻力系数，u_a为最高车速（km/h），C_D为空气阻力系数；A为迎风面积(m²)，则：代步车空载时，G=40×9.8N,f=0.012,C_D=0.3,A=1.2m²,u_a=20km/h,η=0.95

$P=\frac{1}{0.95}(\frac{40\×9.8\×0.012\×20}{3600}+\frac{0.3\×1.2\×{20}^3}{76140})=0.094\mathrm{kW}$

代步车满载时，G=140×9.8N,f=0.012,C_D=0.3,A=2m²,u_a=20km/h,η=0.95

$P=\frac{1}{0.95}(\frac{140\×9.8\×0.012\×20}{3600}+\frac{0.3\×2\×{20}^3}{76140})=0.163\mathrm{kW}$

但代步车在任何时刻都能够保持平衡的关键在于电机的后备功率足够大，经验证明，电机的额定功率必须是计算所需功率的3倍以上。因此，本文选定的直流电机主要参数是：额定电压24V，额定功率500W，额定转速4500r/min，额定扭矩1.06Nm。

1.3、传动比

由整车最高车速与电机额定转速之间关系确定传动比。本文轮胎外径为14in，查表可得车轮滚动半径r=180mm，最高车速v=20km/h=333.3m/min，车轮周长C=2πr=2×3.14×0.18=1.13m（2-2）

则车轮额定转速=

（2-3）

传动比 $i=\frac{4500}{294.9}\≈15$ （2-4）

1.4、锂离子电池

锂离子电池参数确定关键是电池容量大小，可以通过整车巡航里程计算得到。由于受温度、湿度、电池材料、使用情况等各种因素影响，电池不可能满容量，更不可能完全放电，到一定电压就会停止工作。因此，计算时设定了一个电池容量可用系数λ=0.8。

代步车在最高车速运行时，电流

（2-5）

巡航里程为35km所需时间（2-6）

则电池容量为 $Q=\frac{\mathrm{It}}{\mathrm{\λ}}=\frac{6.79\×1.75}{0.8}=14.85\mathrm{Ah}$ （2-7）

因此，选择24V15Ah串联组装的锂电池组。

2、动力性校核

2.1、加速时间校核

下面计算在额定电压下，代步车从静止加速到最高车速所需的时间t，详细推导过程如下：

电机转速

（2-8）

电机输出扭矩

（2-9）

车轮驱动力矩

（2-10）

可得整车加速度：

$a=\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{F}{m}=\frac{T_t/r-\mathrm{Gf}}{m}=\frac{318.3\frac{P_N\mathrm{\π\η}}{u}-\mathrm{mgf}}{m}$ （2-11）

整理得：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{318.3\×3.14\×0.5\×2\×0.95}{140u}-0.012\×9.8=\frac{6.78}{u}-0.12$ （2-12）

对上式两边同时积分得：

$\∫\mathrm{dt}=\∫\frac{u}{6.78-0.12u}\mathrm{du}$ （2-13）

即：

$t={\∫}_0^{5.6}\frac{u}{6.78-0.12u}\mathrm{du}$ （2-14）

令 $m=\frac{u}{6.78-0.12u},$ 得 $u=\frac{6.78-m}{m},\mathrm{du}=-8.33\mathrm{dm}$

$\begin{array}{c}t=8.33{\∫}_{6.1}^{6.8}\frac{6.78-m}{0.12m}\mathrm{dm}\\ =8.33\×(56.5\ln m-8.33m{|}_{6.1}^{6.8})\\ =2.4s\end{array}$ （2-15）

由此可见，本文设计的单轴代步电动车，在水平干燥水泥路面，从静止开始加速到最高车速20km/h,加速时间为2.4s,小于预设值3s,动力性良好。

2.2、最大爬坡度校核

代步车上坡时，主要受力为滚动阻力、坡度阻力和驱动力作用，其中滚动阻力为F_f=Gfcosα（2-16）

坡度阻力为F_i=Gsinα（2-17）

电机额定扭矩 $T_N=9550\frac{P_N}{n_N}=9550\frac{0.5}{4500}=1.06\mathrm{Nm}$ （2-18）

电机最大扭矩T_max=λT_N（2-19）

其中，λ为过载系数，一般为1.8-2.2，取λ=2，则;

T_max=λT_N=2×1.06=2.12Nm

由于求最大爬坡度时，代步车匀速前进，由受力平衡得：

F_t=F_f+F_i（2-20）

即G(fcosα+sinα)=F_t（2-21）

整理得：

$\cos \mathrm{\α}+50\sin \mathrm{\α}=\frac{335.7\×50}{140\×9.8}=12.2$ （2-22）

$\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1+{50}^2}}+\frac{50\sin \mathrm{\α}}{\sqrt{1+{50}^2}}=\frac{12.2}{\sqrt{1+{50}^2}}$ （2-23）

令 $\sin \mathrm{\β}=\frac{1}{\sqrt{1+{50}^2}},\cos \mathrm{\β}\frac{50}{\sqrt{1+{50}^2}},$ 则：

$\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}=\frac{12.2}{\sqrt{1+{50}^2}}$ （2-24）

$\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})=\frac{12.2}{\sqrt{1+{50}^2}}$ （2-25）

解得 $\mathrm{\α}+\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{12.2}{\sqrt{1+{50}^2}}\right)=25.3.$

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{1}{\sqrt{1+{50}^2}}\right)=1.15.$

最大爬坡度α=α+β-β=25.3-1.15=24.15°（2-26）

因此，最大爬坡度比预设值20°大，满足要求。

Claims (1)

1.一种两轮自平衡车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）两轮自平衡车上电运行后，系统首先进入各初始化程序，包括锁相环初始化、AD转换初始化、定时器初始化、PWM初始化与和端口初始化；

（2）然后延时1s等待系统稳定后，接着读取陀螺仪、加速度计和转角传感器初值，再延时1s等待参数变化；

（3）程序设定了1ms中断函数，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期间同时进行；当1ms中断产生时，则分别读取陀螺仪、加速度计和转角传感器的值以及编码器的脉冲个数；

（4）通过卡尔曼滤波来进行陀螺仪和加速度计数据融合滤波，求取车体倾角；通过转角传感器的值计算车把转角；通过编码器的脉冲个数计算电机转速和车速；

（5）然后通过PID控制算法分别计算出直立控制、方向控制和速度控制的PWM值；

（6）将三个PWM值叠加在一起输出给左、右电机；

（7）接着发送陀螺仪、加速度计、车体倾角、电池电压、电机电流和车速的数据给上位机，以监控整车的运行状态；

（8）当监控到电池电压低于预设值、电机电流或者车速大于预设值时，则打开相应的LED警示灯；当监控到车体倾角大于预设角度时，就判定为车体跌倒，并停止运行，重新回到初始化程序当中。

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