[发明专利]一种双独轮自平衡电动车的协调控制方法

权利要求书

1.一种双独轮自平衡电动车的协调控制方法，所述双独轮自平衡电动车包括供左脚踩踏的左行走轮(1)和供右脚踩踏的右行走轮(2)，所述左行走轮(1)和右行走轮(2)相互独立；

所述左行走轮(1)包括左脚支撑板、左轮轮毂电机(1-2)和左轮控制电路板(1-3)，以及为左轮轮毂电机(1-2)和左轮控制电路板(1-3)供电的左轮电池(1-4)，所述左脚支撑板包括用于放置左脚的左水平板(1-11)、垂直连接在左水平板(1-11)左侧底部的左侧竖直板(1-12)、垂直连接在左水平板(1-11)前侧底部的左前侧竖直板(1-13)和垂直连接在左水平板(1-11)后侧底部的左后侧竖直板(1-14)，所述左轮轮毂电机(1-2)的轴与左侧竖直板(1-12)固定连接，所述左轮控制电路板(1-3)和左轮电池(1-4)均固定连接在左水平板(1-11)的底面上；所述左轮控制电路板(1-3)上设置有左轮控制电路，所述左轮控制电路包括左轮微控制器(1-31)和用于将左轮电池(1-4)输出的电压转换为左轮控制电路中各用电模块所需电压并为左轮控制电路中各用电模块供电的左轮电压转换电路(1-32)，以及与左轮微控制器(1-31)相接的左轮无线通信模块(1-33)；所述左轮电池(1-4)上接有左轮电池充电电路(1-38)，所述左轮微控制器(1-31)的输入端接有用于对左行走轮(1)的三轴倾斜角度进行实时检测的左轮陀螺仪(1-34)、用于对左行走轮(1)受到的压力进行实时检测的左轮压力检测电路(1-39)、用于对左行走轮(1)进行定位的左轮GPS模块(1-311)、用于对左轮轮毂电机(1-2)的绕组电流进行实时检测的左轮电机电流检测电路(1-35)和用于对左轮电池(1-4)的输出电压进行实时检测的左轮电池电量检测电路(1-36)，所述左轮电池电量检测电路(1-36)与左轮电池(1-4)的输出端连接，所述左轮微控制器(1-31)的输出端接有用于驱动左轮轮毂电机(1-2)的左电机驱动电路(1-37)，所述左电机驱动电路(1-37)与左轮电池(1-4)的输出端连接，所述左轮轮毂电机(1-2)与左电机驱动电路(1-37)连接；所述左轮轮毂电机(1-2)上设置有用于对左轮轮毂电机(1-2)的转速进行实时检测的左轮电机转速检测电路(1-310)，所述左轮电机转速检测电路(1-310)与左轮微控制器(1-31)的输入端连接；

所述右行走轮(2)包括右脚支撑板、右轮轮毂电机(2-2)和右轮控制电路板(2-3)，以及为右轮轮毂电机(2-2)和右轮控制电路板(2-3)供电的右轮电池(2-4)，所述右脚支撑板包括用于放置右脚的右水平板(2-11)、垂直连接在右水平板(2-11)右侧底部的右侧竖直板(2-12)、垂直连接在右水平板(2-11)前侧底部的右前侧竖直板(2-13)和垂直连接在右水平板(2-11)后侧底部的右后侧竖直板(2-14)，所述右轮轮毂电机(2-2)的轴与右侧竖直板(2-12)固定连接，所述右轮控制电路板(2-3)和右轮电池(2-4)均固定连接在右水平板(2-11)的底面上；所述右轮控制电路板(2-3)上设置有右轮控制电路，所述右轮控制电路包括右轮微控制器(2-31)和用于将右轮电池(2-4)输出的电压转换为右轮控制电路中各用电模块所需电压并为右轮控制电路中各用电模块供电的右轮电压转换电路(2-32)，以及与右轮微控制器(2-31)相接的右轮无线通信模块(2-33)；所述右轮无线通信模块(2-33)与左轮无线通信模块(1-33)无线连接并通信，所述右轮电池(2-4)上接有右轮电池充电电路(2-38)，所述右轮微控制器(2-31)的输入端接有用于对右行走轮(2)的三轴倾斜角度进行实时检测的右轮陀螺仪(2-34)、用于对右行走轮(2)受到的压力进行实时检测的右轮压力检测电路(2-311)、用于对右行走轮(2)进行定位的右轮GPS模块(2-313)、用于对左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的距离进行实时检测的红外测距电路(2-39)、用于对右轮轮毂电机(2-2)的绕组电流进行实时检测的右轮电机电流检测电路(2-35)和用于对右轮电池(2-4)的输出电压进行实时检测的右轮电池电量检测电路(2-36)，所述右轮电池电量检测电路(2-36)与右轮电池(2-4)的输出端连接，所述右轮微控制器(2-31)的输出端接有语音播放电路(2-310)和用于驱动右轮轮毂电机(2-2)的右电机驱动电路(2-37)，所述右电机驱动电路(2-37)与右轮电池(2-4)的输出端连接，所述右轮轮毂电机(2-2)与右电机驱动电路(2-37)连接；所述右轮轮毂电机(2-2)上设置有用于对右轮轮毂电机(2-2)的转速进行实时检测的右轮电机转速检测电路(2-312)，所述右轮电机转速检测电路(2-312)与右轮微控制器(2-31)的输入端连接；其特征在于，所述双独轮自平衡电动车的协调控制方法包括以下步骤：

步骤一、双独轮自平衡电动车起步控制，具体过程为：

步骤101、当人的左脚踩踏在左行走轮(1)，且右脚踩踏在右行走轮(2)上后，左轮压力检测电路(1-39)检测到了人的左脚对左行走轮(1)的压力并输出给左轮微控制器(1-31)，右轮压力检测电路(2-311)检测到了人的右脚对右行走轮(2)的压力并输出给右轮微控制器(2-31)；

步骤102、当所述左轮微控制器(1-31)接收到左轮压力检测电路(1-39)输出的压力信号后，所述左轮微控制器(1-31)开始采集左轮陀螺仪(1-34)检测到的左行走轮(1)的Z轴角度θ_L，并开始采集左轮电机转速检测电路(1-310)检测到的左轮轮毂电机(1-2)的转速n_L；当所述右轮微控制器(2-31)接收到右轮压力检测电路(2-311)输出的压力信号后，所述右轮微控制器(2-31)开始采集右轮陀螺仪(2-34)检测到的右行走轮(2)的Z轴角度θ_R，并开始采集右轮电机转速检测电路(1-312)检测到的右轮轮毂电机(2-2)的转速n_R；

步骤103、左轮微控制器(1-31)根据公式ω_L＝2πn_L计算得到左轮轮毂电机(1-2)的角速度ω_L，同时，右轮微控制器(2-31)根据公式ω_R＝2πn_R计算得到左轮轮毂电机(1-2)的角速度ω_R；

步骤104、左轮微控制器(1-31)根据公式v_L′＝k₃∫(k₁θ_L+k₂ω_L)计算得到其对左轮轮毂电机(1-2)的控制速度v_L′，并比较v_L′与预先设定并存储在左轮微控制器(1-31)中的双独轮自平衡电动车的最大车速v_max，当v_L′≤v_max时，左轮微控制器(1-31)输出控制信号并通过左电机驱动电路(1-37)驱动左轮轮毂电机(1-2)的实际转速v_L为v_L′；当v_L′>v_max时，左轮微控制器(1-31)输出控制信号控制左轮轮毂电机(1-2)的实际转速v_L为v_max；同时，右轮微控制器(2-31)根据公式v_R′＝k₃∫(k₁θ_R+k₂ω_R)计算得到其对右轮轮毂电机(2-2)的控制速度v_R′，并比较v_R′与预先设定并存储在右轮微控制器(2-31)中的双独轮自平衡电动车的最大车速v_max，当v_R′≤v_max时，右轮微控制器(2-31)输出控制信号控制右轮轮毂电机(2-2)的实际转速v_R为v_R′；当v_R′>v_max时，右轮微控制器(2-31)输出控制信号并通过右电机驱动电路(2-37)驱动右轮轮毂电机(2-2)的实际转速v_R为v_max；其中，k₁、k₂和k₃均为比例系数，k₁的取值为大于g的自然数，g为重力加速度，k₂和k₃的取值均为大于0的自然数；

步骤二、双独轮自平衡电动车的左行走轮(1)和右行走轮(2)的协调控制，具体过程为：

步骤201、判断左行走轮(1)和右行走轮(2)的相对位置：左轮微控制器(1-31)将左轮轮毂电机(1-2)的实际转速v_L通过左轮无线通信模块(1-33)和右轮无线通信模块(2-33)传输给右轮微控制器(2-31)，右轮微控制器(2-31)比较v_L与v_R的大小，当v_L>v_R时，判断为左行走轮(1)在前，右行走轮(2)在后；当v_L＝v_R时，判断为左行走轮(1)和右行走轮(2)平行；当v_L<v_R时，判断为右行走轮(2)在前，左行走轮(1)在后；

步骤202、判断双独轮自平衡电动车是直行还是转弯，并分直行和转弯两种情况对双独轮自平衡电动车的左行走轮(1)和右行走轮(2)进行协调控制：所述左轮压力检测电路(1-39)检测人的左脚对左行走轮(1)的压力F_L并输出给左轮微控制器(1-31)，左轮微控制器(1-31)再将人的左脚对左行走轮(1)的压力F_L通过左轮无线通信模块(1-33)和右轮无线通信模块(2-33)传输给右轮微控制器(2-31)，右轮压力检测电路(2-311)检测人的右脚对右行走轮(2)的压力F_R并输出给右轮微控制器(2-31)；右轮微控制器(2-31)比较|F_R-F_L|与预先设定并存储在右轮微控制器(2-31)中的左行走轮(1)与右行走轮(2)转弯时受到的压力差阈值F_Z中，当|F_R-F_L|≤F_Z时，判断双独轮自平衡电动车是直行；当|F_R-F_L|＞F_Z时，判断双独轮自平衡电动车是转弯；

当双独轮自平衡电动车是直行时，首先，所述右轮微控制器(2-31)采集红外测距电路(2-39)检测到的左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的距离L，并采集右轮GPS模块(2-313)定位到的右行走轮(2)的中心点A的位置坐标(X_A,Y_A)；同时，所述左轮微控制器(1-31)采集左轮GPS模块(1-311)定位到的左行走轮(1)的中心点B的位置坐标(X_B,Y_B)并通过左轮无线通信模块(1-33)和右轮无线通信模块(2-33)传输给右轮微控制器(2-31)；接着，所述右轮微控制器(2-31)先根据公式计算左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的相对角度γ，再根据公式y＝L·sinγ计算左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的前后距离，并根据公式x＝L·cosγ计算左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的左右距离；然后，所述右轮微控制器(2-31)比较y与预先设定并存储在右轮微控制器(2-31)中的左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大前后安全距离y_max，并比较x与预先设定并存储在右轮微控制器(2-31)中的左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大左右安全距离x_max；

当y≤y_max时，左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的前后距离没有超过左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大前后安全距离，此时，所述左轮微控制器(1-31)不改变对左轮轮毂电机(1-2)转速的控制，所述右轮微控制器(2-31)不改变对右轮轮毂电机(2-2)转速的控制；

当y>y_max时，左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的前后距离超过了左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大前后安全距离，此时，当左行走轮(1)在前，右行走轮(2)在后时，所述右轮微控制器(2-31)控制右轮轮毂电机(2-2)加速；当右行走轮(2)在前，左行走轮(1)在后时，所述右轮微控制器(2-31)将左行走轮(1)加速的信号通过左轮无线通信模块(1-33)和右轮无线通信模块(2-33)传输给左轮微控制器(1-31)，所述左轮微控制器(1-31)控制左轮轮毂电机(1-2)加速；

当x≤x_max时，左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的左右距离没有超过左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大左右安全距离，此时，所述左轮微控制器(1-31)不改变对左轮轮毂电机(1-2)转速的控制，所述右轮微控制器(2-31)不改变对右轮轮毂电机(2-2)转速的控制；

当x>x_max时，左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的左右距离超过了左行走轮(1)与右行走轮(2)之间的最大左右安全距离，此时，所述右轮微控制器(2-31)控制语音播放电路(2-310)播放语音提示信号，提示人缩小左脚与右脚之间的距离；

当双独轮自平衡电动车是转弯时，首先，所述右轮微控制器(2-31)控制语音播放电路(2-310)播放语音提示信号，提示路况为转弯并提示人身体后倾；然后，所述右轮微控制器(2-31)比较人的左脚对左行走轮(1)的压力F_L与人的右脚对右行走轮(2)的压力F_R，当F_L>F_R时，判断为双独轮自平衡电动车向左转，此时，所述右轮微控制器(2-31)将左行走轮(1)减速的信号通过左轮无线通信模块(1-33)和右轮无线通信模块(2-33)传输给左轮微控制器(1-31)，所述左轮微控制器(1-31)控制左轮轮毂电机(1-2)减速进行左转；当F_L<F_R时，判断为双独轮自平衡电动车向右转，此时，所述右轮微控制器(2-31)控制右轮轮毂电机(2-2)减速进行右转。