[发明专利]两轮自平衡车控制方法

摘要

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。

主权项

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；整车结构参数：整体外廓尺寸为长680mm，宽360mm，高1140mm，其中踏板高度为250mm；车轮的轮距为600mm；踏板和车外壳采用碳纤维结构；最高车速20km/h，加速时间3s，最大爬坡度20°；电机参数：额定电压24V，额定功率500W，额定转速4500r/min，额定扭矩1.06Nm；传动比：整车最高车速与电机额定转速之间关系传动比i为15；加速时间校核包括：下面计算在额定电压下，两轮自平衡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：电机转速电机输出扭矩车轮驱动力矩可得整车加速度：$a=\frac{du}{dt}=\frac{F}{m}=\frac{T_t/r-Gf}{m}=\frac{318.3\frac{P_N\mathrm{\π}\mathrm{\η}}{u}-mgf}{m}---(2-11)$整理得：$\frac{du}{dt}=\frac{318.3\×3.14\×0.5\×2\×0.95}{140u}-0.012\×9.8=\frac{6.78}{u}-0.12---(2-12)$对上式两边同时积分得：$\∫dt=\∫\frac{u}{6.78-0.12u}du---\left(2-13\right)$即：$t={\∫}_0^{5.6}\frac{u}{6.78-0.12u}du---(2-14)$令得du＝‑8.33dm$\begin{array}{c}t=8.33{\∫}_{6.1}^{6.8}\frac{6.78-m}{0.12m}dm\\ =8.33\×(56.5\ln m-8.33m{|}_{6.1}^{6.8})\\ =2.4s\end{array}$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；最大爬坡度校核包括：两轮自平衡车上坡时，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＝Gf cosα(2‑16)坡度阻力为F_i＝G sinα(2‑17)电机额定扭矩电机最大扭矩T_max＝λT_N(2‑19)其中，λ为过载系数，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，两轮自平衡车匀速前进，由受力平衡得：F_t＝F_f+F_i(2‑20)即G(f cosα+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)$解得最大爬坡度α＝α+β‑β＝25.3‑1.15＝24.15(2‑26)最大爬坡度比预设值20°大，满足要求；U为车最高速度，r为车轮滚动半径，η为传动效率，G为作用在汽车上的重力，f为滚动阻力系数。