[發(fā)明專利]一種基于偏航角的雙電機(jī)速度同步及平衡控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610141538.3
• 申請(qǐng)日: 2016-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN105680736B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉峰;張濤;薛祖播
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京快輪智能科技有限公司
• 主分類號(hào): H02P5/56
• 分類號(hào): H02P5/56;B62K11/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司32206
• 代理人: 顧進(jìn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙輪電動(dòng)平衡車中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度同步的實(shí)現(xiàn)方法，具體地說是一種基于姿態(tài)傳感器偏航角的雙電機(jī)速度同步及平衡方法，屬于電動(dòng)平衡車控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雙輪電動(dòng)平衡車是目前新興的一種短途交通工具，它主要是基于車體內(nèi)部姿態(tài)傳感器(包括陀螺儀和加速度傳感器等)所檢測(cè)到的車體姿態(tài)變化，通過控制系統(tǒng)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)車體運(yùn)動(dòng)中的兩輪速度同步和車體平衡。通常，為了使得雙輪電動(dòng)平衡車在運(yùn)動(dòng)時(shí)的航向不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，需要保持兩輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在速度上同步，現(xiàn)有的速度控制方法是對(duì)速度低的一邊車輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)進(jìn)行增大輸出調(diào)整，然而這種控制方法無法克服雙電機(jī)速度做同步時(shí)航向偏移的已然發(fā)生性以及在低速度情況下測(cè)量電機(jī)速度不準(zhǔn)所導(dǎo)致的控制系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的問題。

姿態(tài)傳感器包含陀螺儀、加速度計(jì)和電子羅盤等運(yùn)動(dòng)傳感器，通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)娜S姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù)，利用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)時(shí)輸出以四元數(shù)或歐拉角或旋轉(zhuǎn)矩陣表示的零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器通過配置數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理單元(DMP)并經(jīng)過四元數(shù)轉(zhuǎn)換最終可輸出包括有俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)和滾轉(zhuǎn)角(roll)的歐拉角，歐拉角作為姿態(tài)傳感器輸出的姿態(tài)角能夠直觀的描述物體的空間姿態(tài)，在現(xiàn)有的電動(dòng)平衡車中用到其中的pitch角度，如繞pitch角度為正則x軸指向下，為了使pitch角度為零，則給輸出方向(右手定則)旋轉(zhuǎn)即可。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于偏航角的雙電機(jī)速度同步及平衡控制方法，在現(xiàn)有的速度同步控制系統(tǒng)中采用姿態(tài)傳感器輸出的歐拉角結(jié)合PID控制對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行速度同步及平衡控制，具有控制簡單高效的特點(diǎn)，同時(shí)減少了電子羅盤(即磁力計(jì))的使用，降低了成本。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，一種基于偏航角的雙電機(jī)速度同步及平衡控制方法，用到一種雙電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微控制器、兩個(gè)電機(jī)、電機(jī)調(diào)速器、姿態(tài)傳感器和PID控制器，所述姿態(tài)傳感器上整合有陀螺儀和加速度計(jì)；在系統(tǒng)上電后，所述姿態(tài)傳感器高速A/D采樣當(dāng)前信號(hào)并經(jīng)四元數(shù)轉(zhuǎn)換后實(shí)時(shí)輸出pitch角度和yaw角度兩個(gè)姿態(tài)角度信號(hào)至微控制器，微控制器對(duì)pitch角度和yaw角度進(jìn)行標(biāo)幺化處理，并將pitch角度標(biāo)幺值輸出至PID控制器，微控制器對(duì)前后兩個(gè)yaw角度標(biāo)幺值進(jìn)行比較后輸出一個(gè)偏離值θ，并將偏離值θ輸出至PID控制器，pitch角度標(biāo)幺值和偏離值θ通過PID控制器運(yùn)算，輸出給電機(jī)調(diào)速器轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，進(jìn)而對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行速度同步和平衡控制。

其中，所述微控制器將第一次接收到的yaw角度經(jīng)過標(biāo)幺化處理后的結(jié)果記載為A，將第二次及以后接收到的yaw角度經(jīng)過標(biāo)幺化處理后的結(jié)果與A進(jìn)行比較得到偏離值θ，并將該偏離值θ與預(yù)先設(shè)定的角度極小量ε做比較，當(dāng)所得偏離值θ大于該角度極小量ε時(shí)微控制器向PID控制器輸送當(dāng)前的偏離值θ，而當(dāng)所得偏離值θ不大于該角度極小量ε時(shí)，微控制器一方面向PID控制器輸送數(shù)值零，另一方面將當(dāng)前的yaw角度賦值于A。

所述PID控制器包括第一PID模塊、第二PID模塊和第三PID模塊，將兩個(gè)電機(jī)分別記為A電機(jī)和B電機(jī)，在第一PID模塊的輸入端設(shè)有第一比較器，而在第一PID模塊的輸出端設(shè)有第二比較器，在第二PID模塊的輸入端設(shè)有第三比較器，而在第二PID模塊的輸出端設(shè)有第四比較器，在第三PID模塊的輸入端設(shè)有第五比較器，所述第一、三、五比較器的輸入端連接微控制器的輸出端，所述第二比較器的輸出端連接A電機(jī)的電機(jī)調(diào)速器(記為A電機(jī)調(diào)速器)，所述第四比較器的輸出端連接B電機(jī)的電機(jī)調(diào)速器(記為B電機(jī)調(diào)速器)，所述A電機(jī)調(diào)速器的輸出端連接第一比較器的輸入端，所述B電機(jī)調(diào)速器的輸出端連接第三比較器的輸入端，所述第三PID模塊的輸出端連接第二、四、五比較器的輸入端。

因此，上述控制方法具體包括以下步驟：

a、系統(tǒng)上電后，所述姿態(tài)傳感器采集A電機(jī)和B電機(jī)的當(dāng)前信號(hào)并經(jīng)過四元數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出pitch角度和yaw角度兩個(gè)姿態(tài)角度信號(hào)至微控制器；

b、所述微控制器對(duì)pitch角度和yaw角度進(jìn)行標(biāo)幺化處理后將pitch角度標(biāo)幺值輸出至第一、三比較器，將對(duì)yaw角度進(jìn)行判斷比較所得的偏離值θ或數(shù)值零輸出至第五比較器；