[发明专利]一种高精度调速前后自平衡独轮代步车

权利要求书

1.一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括：车轮（1），轮毂电机（3），踏板（2），踏板连接轴，支架，可伸缩连杆（7），调速转把（14），驱动模块（11），和电源模块（9）；其特征在于还包括：控制模块（12）、速度测量模块（10）和姿态测量模块（13）；其中，

所述控制模块（12），安装在支架上槽（6）内，用于产生电机的综合控制量u_D(t)；其核心控制器为一DSP芯片，包括：捕获速度测量模块中编码器脉冲的捕获单元CAP_QEP，将调速转把（14）输出的速度模拟信号转换为数字信号的ADC单元，产生综合控制信号u_D(t)（PWM脉宽调制波）的事件管理器EV单元，调试过程中与上位机通信（SCI协议）的异步串行通信接口单元和与接收姿态测量模块（ADIS16300）通信（SPI协议）的同步串行接口单元；

所述速度测量模块（10），安装在支架右侧槽（5）内，用于精确测量电机的转速；包括：同轴齿轮a（16），加速齿轮b（17），光栅码盘（18）和增量式光电编码器（19）；同轴齿轮a（16）与轮毂电机（3）中心轴同轴连接，同轴齿轮a（16）与加速齿轮b（17）啮齿，光栅码盘（18）与加速齿轮b（17）同轴连接；车轮（1）转动时，带动同轴齿轮a（16）同轴旋转，同轴齿轮a（16）通过加速齿轮b（17）带动光栅码盘（18）与加速齿轮b（17）同轴旋转，增量式光电编码器（19）输出脉冲信息并送至控制模块（12）；

所述姿态测量模块（13），由加速度计和陀螺仪组成，安装在支架上槽（6）内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信息，并实时反馈给控制模块（12），经过滤波和计算处理后得到对代步车前后方向（俯仰角）进行平衡控制所需的、精确的角度和角速度信息。

2.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述独轮代步车的速度通过转动右手把（内装线性霍尔调速部件）粗略调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，速度的精确控制及前后方向上的平，由控制模块（12）得到的综合控制量u_D(t)经驱动模块（11）驱动轮毂电机（3）实现。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述控制模块（12）得到的综合控制量u_D(t)由姿态平衡控制量u_bal和行进速度控制量u_v按下式叠加而成：

u_D(t)＝u_bal(t)+u_v(t)

姿态平衡控制量u_bal可由非线性PD算法按下式得到：

ubal(t)=PDbal(θ)=KPbal(θ)+KDbal(dθdt)]]>

其中，PD_bal(θ)为姿态平衡的非线性PD控制器；为非线性比例参数；为非线性微分参数；

速度控制量u_v采用PID正反馈算法按下式得到：

uv(t)=PIDv(ev)=KPvev+KIv∫evdt+KDvdevdt]]>

其中，是实际速度与期望速度v_D的差；PID_v(e_v)为速度控制器；为比例项，为正反馈，用于调节独轮车行进速度；为积分项，为正反馈，累积位移差形成的位移势能，这种位移势能不仅能消除速度静差，还可以保障复杂路面（包括坡道）行进时行进速度的平稳，并使独轮车具备了突破障碍的能力；为微分项，为负反馈，用于消除系统的自激和振荡；

在独轮车行进速度控制器PID_v(e_v)中，起主导作用的是比例项，其次是积分项，因此，PID_v(e_v)是一个正反馈控制器。

4.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述速度测量模块使光电码盘的分辨率提高到a/b倍，使测速精度也提高到将近a/b倍，a、b分别为同轴齿轮a（16）与加速齿轮b（17）的齿数。