检测车体平衡的方法及动平衡车 |
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| 申请号 | CN201410504554.5 | 申请日 | 2014-09-26 | 公开(公告)号 | CN104401322A | 公开(公告)日 | 2015-03-11 |
| 申请人 | 纳恩博(天津)科技有限公司; | 发明人 | 陈中元; 王野; 张辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种检测车体平衡的方法、车体平衡状态的控制方法及动平衡车。其中的方法包括： 姿态 传感器 和转向传感器分别监测车体的 俯仰 角 度以及 转向角度 ；根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动 信号 ，以驱动多个发光单元发光；根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态。本发明使乘员实时掌握车体的平衡状态，快速有效地从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，尽可能地避免车辆对周围的物体或者人员造成伤害。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种检测车体平衡的方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 检测车体平衡的方法及动平衡车技术领域[0001] 本发明属于动平衡车技术领域，具体地说，涉及一种检测车体平衡的方法、车体平衡状态的控制方法及动平衡车。 背景技术[0002] 动平衡车辆直接利用电能作为动力，并通过感测车身的姿势状态，通过高速处理器计算出控制指令，驱动马达来移动车身。动平衡车辆在工作状态时根据车辆姿态的变化，实时动态高频率地调整车身姿态，以保持车辆的动态平衡；当动平衡车辆不处于工作状态时，则无法调整车身姿态进而也就无法保持自身动态平衡。 [0003] 在动态平衡调节过程中，为了迅速响应用户的操作，动平衡车辆通常必须迅速从当前姿态(current attitude，简称CA)进入动平衡稳态(Dynamic Balance Steady Attitude，DBSA)调整车身的姿态，调整车体的俯仰角度和转向角度，以保持乘员和车辆处于动平衡状态，不至于摔倒。该调整车身姿态的时间很短比如通常小于500ms，且这个过程中俯仰角度和转向角度改变不能过大，否则一旦改变过大，则会造成车辆的剧烈动作，迅速移动或转向，可能对周围的物体或者人员造成伤害。 [0004] 现有技术中方法使动平衡车从当前姿态(current attitude，简称CA)进入动平衡稳态(Dynamic Balance Steady Attitude，DBSA)的实现方法包括： [0005] 1)不检测乘员是否上车，只要动平衡车辆开机时即立即进入动平衡稳态DBSA，但是这种方法由于动平衡车辆开机时立即迅速从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，车身状态调整的过度时间太短，车辆容易迅速移动或转向，可能对周围的物体或者人员造成伤害。 [0006] 2)不检测乘员是否上车，延长动平衡车辆从当前姿态进入动平衡稳态DBSA的时间比如大于2s，以降低车辆在此过程中移动的速度和角度变化，降低安全危险。但是，该方法中，如果乘员已经上车而车辆还没有完全进入动平衡稳态DBSA，车辆可能失去平衡而导致乘员摔倒受伤。 [0007] 发明人在实现本发明的过程中发现，无论是上述那种方式，其原因是乘员在动平衡车辆从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，无法直观的了解车身平衡状态，未参与到动平衡稳态的调整。因此，亟待提供一种技术方案，使乘员参与到动平衡稳态调整的过程中，实时掌握车体的平衡状态，快速有效地从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，尽可能地避免车辆对周围的物体或者人员造成伤害。 发明内容[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种检测车体平衡的方法、车体平衡状态的控制方法及动平衡车，使乘员实时掌握车体的平衡状态，快速有效地从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，尽可能地避免车辆对周围的物体或者人员造成伤害。 [0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种检测车体平衡的方法，其包括： [0012] 根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态。 [0013] 优选地，在本发明的一实施例中，根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态包括： [0014] 根据驱动信号分别驱动多个发光单元发光，并按照所述俯仰角度和转向角度，规律性调整多个发光单元的发光面积，以模拟车体平衡状态。 [0015] 优选地，在本发明的一实施例中，根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态包括： [0016] 根据驱动信号分别驱动多个发光单元发光，并按照所述俯仰角度和转向角度，规律性调整多个发光单元的亮度，以模拟车体平衡状态。 [0017] 优选地，在本发明的一实施例中，根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动发光单元发光包括： [0018] 根据监测到的俯仰角度，生成第一组驱动信号，所述第一组驱动信号包括第一驱动信号，以驱动模拟俯仰状态的第一组发光单元中多个发光单元发光； [0019] 根据监测到的转向角度，生成第二组驱动信号，所述第二组驱动信号包括第二驱动信号，以驱动模拟转向状态的第二组发光单元中多个发光单元发光。 [0020] 优选地，在本发明的一实施例中，还包括：预先设定俯仰角度阈值和转向角度阈值；所述根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光包括：根据监测到的俯仰角度及俯仰角度阈值，转向角度及转向角度阈值，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光。 [0022] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车体平衡状态的控制方法，其包括：根据上述任意所述方法获得的模拟车体平衡状态，调整车体的俯仰以及转向姿态。 [0023] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车，其包括：姿态传感器、转向传感器、驱动单元、发光单元，姿态传感器和转向传感器分别用于监测车体的俯仰角度以及转向角度；驱动单元用于根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光；发光单元用于根据驱动信号规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态。 [0024] 优选地，在本发明的一实施例中，还包括：人机交互界面，用于实时显示发光单元发光的规律性状态，以向驾驶者呈现模拟的车体平衡状态。 [0026] 与现有的方案相比，由于通过姿态传感器和转向传感器分别监测车体的俯仰角度以及转向角度；再根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光；最后，根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态，从而使乘员实时掌握车体的平衡状态，快速有效地从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，尽可能地避免车辆对周围的物体或者人员造成伤害。附图说明 [0027] 图1为本发明实施例一检测车体平衡的方法流程示意图；。 [0028] 图2为本发明实施例二生成驱动信号的流程示意图； [0029] 图3为本发明实施例三检测车体平衡的方法流程示意图； [0030] 图4为本发明实施例四检测车体平衡的方法一详细流程示意图 [0031] 图5为本发明实施例四发光单元的规律性布置示意图； [0032] 图6为本发明实施例五发光单元的规律性布置示意图； [0033] 图7为本发明实施例六LCD液晶显示界面中车体平衡状态的显示示意图； [0034] 图8为本发明实施例七动平衡车的功能结构框图。 具体实施方式[0035] 以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。 [0036] 本发明下述实施例中，由于通过姿态传感器和转向传感器分别监测车体的俯仰角度以及转向角度；再根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光；最后，根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态，从而使乘员实时掌握车体的平衡状态，快速有效地从当前姿态CA进入动平衡稳态DBSA，尽可能地避免车辆对周围的物体或者人员造成伤害。 [0037] 本申请的核心思想： [0038] 本发明下述实施例提供的检测车体平衡的方法，其核心思想在于包括如下步骤： [0039] 姿态传感器和转向传感器分别监测车体的俯仰角度以及转向角度； [0040] 根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光； [0041] 根据驱动信号驱动多个发光单元规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态。 [0042] 图1为本发明实施例一检测车体平衡的方法流程示意图；如图1所示，其具体可以包括： [0043] S101、姿态传感器和转向传感器分别监测车体的俯仰角度以及转向角度； [0044] 本实施例中，俯仰角度可以指车体前后仰斜的不同状态，而转向角度可以指车体左右转向的不同状态。俯仰角度包括前倾角、后仰角，转向角度包括左转向角度、右转向角度。 [0045] 本实施例中，姿态传感器可以根据产品的实际结构设计，固定在车体的重心位置处。姿态传感器可以包括陀螺仪以及加速度计。陀螺仪来跟踪车辆沿着X和Y轴的旋转即车体的角度，加速度计测量沿加速度和角速度。在具体产品应用中，可以使用三轴陀螺仪和三轴加速度计。根据车体的角度、车体的加速度以及角速度计算车体的俯仰角度。 [0046] 本实施例中，转向传感器耦接在转向装置上，转向传感器可以是电位器或者霍尔传感器。 [0049] S102、根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光； [0050] 本实施例中，步骤S102的具体流程示意图可以如图2所示，图2为本发明实施例二生成驱动信号的流程示意图，其具体可以包括： [0051] S112、根据监测到的俯仰角度，生成第一组驱动信号，所述第一组驱动信号包括第一驱动信号，以驱动模拟俯仰状态的第一组发光单元中多个发光单元发光； [0052] S122、根据监测到的转向角度，生成第二组驱动信号，所述第二组驱动信号包括第二驱动信号，以驱动模拟转向状态的第二组发光单元中多个发光单元发光。 [0053] 在本实施例中，在竖直方向上设置第一组发光单元，以根据车体的俯仰角度模拟车体的前后仰斜状态，在水平方向上设置第二组发光单元，以根据车体的转向角度模拟车体的左右转向状态。因此，在生成驱动信号时，分别生成驱动第一组发光单元的第一组驱动信号，驱动第二组发光单元的第二组驱动信号。需要说明的是，第一组发光单元和第二组发光单元中包括的发光单元包括的LED并无具体限定，比如是3个或5个等等。 [0054] 需要说明的是，第一组驱动信号可以包括若干个独立的驱动信号，以对第一组发光单元中的每个发光单元一一驱动。第二组驱动信号也可以包括若干个独立的驱动信号，以对第二组发光单元中的每个发光单元一一驱动。 [0055] 需要说明的是，第一组驱动信号也可以只包括一个驱动信号，该驱动信号在第一组发光单元中的各发光单元之间共用。第二组驱动信号也可以只包括一个驱动信号，该驱动信号在第二组发光单元中的各发光单元之间共用。 [0056] S103、根据驱动信号分别驱动多个发光单元发光，并按照所述俯仰角度和转向角度，规律性调整多个发光单元的发光面积，以模拟车体平衡状态。 [0057] 本实施例中，参见上述步骤S102，如果生成多个独立的第一组驱动信号，通过有选择地生成部分驱动信号，以有选择地驱动第一组发光单元中的部分发光单元组发光，有规律地调整发光单元组中某几个LED进行发光，从而调整发光单元的发光面积。 [0058] 如果生成包括一个驱动信号的第一组驱动信号，通过有选择地在第一组发光单元中的部分发光单元组之间公用该驱动信号，规律地调整发光单元组中某几个LED进行发光，从而调整发光单元的发光面积。 [0059] 对于第二组发光单元的驱动可以参照上述对第一组发光单元的驱动，详细不再赘述。 [0060] 图3为本发明实施例三检测车体平衡的方法流程示意图；如图3所示，其具体可以包括： [0061] S301、姿态传感器和转向传感器分别监测车体的俯仰角度以及转向角度； [0062] S302、根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元发光； [0063] 有关步骤S301-S302详细可参见上述图1所示的实施例，在此不再赘述。 [0064] S303、根据驱动信号分别驱动多个发光单元发光，并按照所述俯仰角度和转向角度，规律性调整多个发光单元的发光亮度，以模拟车体平衡状态。 [0065] 与上述图1所示实施例不同的是，本实施例是通过规律性的调整发光单元的发光亮度，模拟车体平衡状态。 [0066] 本实施例中，参见上述步骤S102，如果生成多个独立的第一组驱动信号，通过有选择地生成大小不同的驱动信号，驱动第一组发光单元中的发光单元发光，有规律地调整发光单元中LED的亮度。 [0067] 如果生成包括一个驱动信号的第一组驱动信号，通过有选择地在第一组发光单元中的部分发光单元组之间公用该驱动信号，规律地调整发光单元组中某几个LED进行发光，从而调整整个发光单元的发光亮度。 [0068] 对于第二组发光单元的驱动可以参照上述对第一组发光单元的驱动，详细不再赘述。 [0069] 如果是两轮的动平衡车的话，乘员一般都是双手握把处于站立姿势，因此，为了便于乘员便捷地观察到车体的平衡状态，可以在上述图1所示实施例一或图3所示实施例三的基础上，形成另一实施例，其包括了增加的步骤：在人机交互界面中实时显示发光单元发光的规律性状态，以向驾驶者呈现模拟的车体平衡状态。该步骤可以在步骤S103或者步骤S303之后执行。 [0070] 在具体实施时，该人机交互界面可以是一LCD液晶显示界面，在该界面中显示一实心圆形图案，模拟水平尺的液泡。 [0071] 为了向乘员提供车体平衡状态调整的参考，可以在上述图1所示实施例一或图3所示的实施例三的基础上，形成另外一实施例，其包括增加了的步骤：预先设定俯仰角度阈值和转向角度阈值；该步骤可以在步骤S101或者S301之前。 [0072] 本实施例中，俯仰角度阈值和转向角度阈值可以指车体处于自平衡状态时的俯仰角度和转向角度。 [0073] 当设定了俯仰角度阈值和转向角度阈值后，在本实施例中在生成驱动信号时，根据监测到的俯仰角度及俯仰角度阈值，转向角度及转向角度阈值，生成驱动信号，以驱动多个发光单元规律性的发光。 [0074] 俯仰角度阈值包括前倾角度阈值和后仰角度阈值，转向角度阈值包括左转向角度阈值和右转向角度阈值。俯仰角度阈值和转向角度阈值可以根据车辆的惯量、动力学模型和实验经验值进行设置。 [0075] 为了向乘员提供车体平衡状态调整的参考，可以在上述图1所示实施例一或图3所示的实施例三的基础上，形成再一实施例，其包括增加了的步骤：预先设定俯仰角度差值阈值和转向角度差值阈值；该步骤可以在步骤S101或者S301之前。 [0076] 俯仰角度差值Δp是指实时监测到的俯仰角度与车体完全处于自平衡状态时的俯仰角度之间的差值，俯仰角度差值包括前倾角度差值和后仰角度差值阈值，转向角度差值Δr是指实时监测到的转向角度与车体完全处于自平衡状态时的转向角度之间的差值，包括左转向角度差值和右转向角度差值。俯仰角度差值阈值Δps指如果车体处于动平衡状态时监测到的俯仰角度与车体完全处于自平衡状态时俯仰角度的理论差值。转向角度差值阈值Δrs指如果车体处于动平衡状态时监测到的转向角度与车体完全处于自平衡状态时转向角度的理论差值。俯仰角度差值和转向角度差值阈值可以根据车辆的惯量、动力学模型和实验经验值进行设置。 [0077] 在设置了阈值或者差值阈值之后，通过发光单元的规律性发光，使乘员可以直观地或者车体的平衡状态，以便实时调整车体的平衡状态，比如如果通过第一组发光单元的发光状态判断得知，俯仰角度中的前倾角超过了俯仰角度阈值中的前倾角阈值，则需要适当调整车辆后仰，减小前倾角。详细可参见后续实施例说明。 [0078] 图4为本发明实施例四检测车体平衡的方法一详细流程示意图；详细请参见图4记载，在此不再重述。 [0079] 图5为本发明实施例四发光单元的规律性布置示意图；如图5所示，每一组发光单元包括一个LED灯，LED1、LED2、LED3指示车体的俯仰状态，LED4、LED2、LED5指示车体的转向状态。本实施例以设定俯仰角度阈值和转向角度阈值为例进行说明。 [0080] (1)当LED1亮度 [0081] (2)当LED1亮度>LED2亮度>LED3亮度时，处于非平衡状态，指示车体后仰角度超过后仰角度阈值，乘员需将车体适当前倾； [0082] (3)当LED4 [0083] (4)当LED4亮度>LED2亮度>LED5亮度时，处于非平衡状态，指示手把右转向角度超过右转向角度阈值，乘员需将转向装置朝左侧调整； [0084] (5)五颗LED亮度越接近，表示俯仰角度和转向角度更接近其对应阈值，也就表明车体的当前姿态越接近动平衡稳态。 [0085] 图5实施例在具体应用时，可以通过某个灯的熄灭来直观的进行上述判断： [0086] (1)LED1熄灭，LED2亮度 [0087] (2)LED1亮度>LED2亮度，LED3熄灭，指示车体后仰角度超过后仰角度阈值，乘员需将车体适当前倾； [0088] (3)LED4熄灭，LED2亮度 [0089] (4)当LED4亮度>LED2亮度，LED5熄灭，指示手把右转向角度超过右转向角度阈值，乘员需将转向装置朝左侧调整。 [0090] 需要说明的是，上述图5的实施例具体以俯仰角度阈值和转向角度阈值为例进行说明，但是，其实际也可以应用于俯仰角度差值阈值和转向角度差值阈值，详细如下： [0091] (1)当LED1亮度 [0092] (2)当LED1亮度>LED2亮度>LED3，比如LED3灭时，指示车体后仰角度差值超过后仰角度差值阈值，乘员需将车体适当前倾； [0093] (3)当LED4 [0094] (4)当LED4亮度>LED2亮度>LED5亮度，指示手把右转向角度差值超过右转向角度差值阈值，乘员需将转向装置朝左侧调整； [0095] 图6为本发明实施例五发光单元的规律性布置示意图；如图5所示，与上述图5不同，发光单元包括第一组发光单元501和第二组发光单元502，第一组发光单元和第二组发光单元又各自包括若干个发光单元组即LED1灯组、LED2灯组、LED3灯组、LED4灯组、LED5灯组，第一组发光单元包括LED1灯组、LED2灯组、LED3灯组，第二组发光单元包括LED4灯组、LED2灯组、LED5灯组，LED1灯组、LED2灯组、LED3灯组、LED4灯组、LED5灯组各自包括若干个LED灯，此时，除了可以通过上述图4说是的不同亮度来判断车体的平衡状态，也可以通过发光单元的发光面积判断车体的平衡状态。本实施例详细以发光面积的判断来进行说明。 [0096] (1)当LED1灯组亮度 [0097] (2)当LED1灯组发光面积>LED2灯组发光面积>LED3灯组发光面积时，指示车体后仰角度超过后仰角度阈值，乘员需将车体适当前倾； [0098] (3)当LED4灯组发光面积 [0099] (4)当LED4灯组发光面积>LED2灯组发光面积>LED5灯组发光面积时，指示手把右转向角度超过右转向角度阈值，乘员需将转向装置朝左侧调整； [0100] (5)五颗LED灯组发光面积越接近，表示俯仰角度和转向角度更接近其对应阈值，也就表明车体的当前姿态越接近动平衡稳态。 [0101] 有关各个灯组发光面积的控制，可参见上述方法实施例，详细不再赘述。 [0102] 图7为本发明实施例六LCD液晶显示界面中车体平衡状态的显示示意图；如图7所示，在LCD液晶屏上绘制实心圆形图案，模拟水平尺的液泡，根据LED灯的亮度或者发光面积来改变圆形图案大小以及直径。本实施例中实心圆形图案的绘制公式如下： [0103] [0104] 上式中，Xd是该实心圆形的圆心X轴坐标，Yd是该实心圆形的圆心Y轴坐标，Φd是该实心圆形的直径。K1、K2、K3、K4、K5分别为根据经验和LCD液晶屏分辨率而自定义的常数。 [0105] 可以把液晶显示界面定义为一个四个象限，逆时针分别为第一象限、第二象限、第三象限、第四象限，通过上述发光单元的发光面积或者亮度来进行圆形图案在象限中位置的定义。 [0106] (1)位于第一象限 [0107] 车体前倾角度超过前倾角度阈值，手把右转向角度超过右转向角度阈值。 [0108] (2)位于第二象限 [0109] 车体前倾角度超过前倾角度阈值，手把左转向角度超过左转向角度阈值，处于非平衡状态。 [0110] (3)位于第三象限 [0111] 车体后仰角度超过后仰角度阈值，手把左转向角度超过左转向角度阈值。 [0112] (4)位于第四象限 [0113] 车体后仰角度超过后仰角度阈值，手把右转向角度超过右转向角度阈值，处于非平衡状态。 [0114] (5)位于象限交界水平正向 [0115] 车体前、后仰角度未超过前、后仰角度阈值，但手把右转向角度超过右转向角度阈值。 [0116] (6)位于象限交界水平负向 [0117] 车体前、后仰角度未超过前、后仰角度阈值，但手把左转向角度超过左转向角度阈值，处于非平衡状态。 [0118] (7)位于象限交界垂直正向 [0119] 车体前倾角度超过前倾角度阈值，但手把左、右转向角度超过左、右转向角度阈值，处于非平衡状态。 [0120] (8)位于象限交界垂直负向 [0121] 车体后仰角度超过后仰角度阈值，但手把左、右转向角度超过左、右转向角度阈值，处于非平衡状态。 [0122] (9)位于象限交界中心位置 [0123] 车体前、后仰角度未超过前、后仰角度阈值，手把左、右转向角度未超过左、右转向角度阈值，此时，车体实际刚好处于平衡状态。 [0124] 需要说明的是，上述情况(1)-(9)并非群举，还包括其他各种情形，详细不再赘述。 [0125] 需要说明的是，图6中的圆形图案也可以由其他形状图案比如多边形代替。 [0126] 图8为本发明实施例七动平衡车的功能结构框图；如图8所示，其具体可以包括：姿态传感器701、转向传感器702、驱动单元703、发光单元704。其中： [0127] 姿态传感器701和转向传感器702分别用于监测车体的俯仰角度以及转向角度；驱动单元703用于根据监测到的俯仰角度和转向角度，生成驱动信号，以驱动多个发光单元704发光；发光单元704用于根据驱动信号规律性发光，以模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态。 [0128] 本实施例中，还可以包括人机交互界面，用于实时显示发光单元发光的规律性状态，以向驾驶者呈现模拟的车体平衡状态。该人机交互界面可以为一LCD液晶显示界面。 [0129] 本实施例中，发光单元704根据模拟所述俯仰角度以及转向角度对应的车体平衡状态有规律地布置在动平衡车的踏板位置处。 [0130] 按照模拟俯仰状态和转向状态分别布置了第一组发光单元714和第二组发光单元724，比如如图4所示，LED1、LED2、LED3组成第一组发光单元，LED4、LED2、LED5组成第二组发光单元。 [0131] 可选地，如果驱动单元703生成多个独立的第一组驱动信号，通过有选择地生成大小不同的驱动信号，驱动第一组发光单元中的发光单元发光，有规律地调整发光单元中LED的亮度。 [0132] 可选地，如果发光单元包括第一组发光单元和第二组发光单元，第一组发光单元又包括若干个发光单元组，以每个驱动单元生成包括一个驱动信号的第一组驱动信号，通过有选择地在第一组发光单元中的部分发光单元组之间公用该驱动信号，规律地调整发光单元组中某几个LED进行发光，从而调整整个发光单元的发光亮度，或者发光面积。 |
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