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1. (WO2019047509) 一种二轮单轨车辆及其平衡的控制方法
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156   0157   0158   0159   0160   0161   0162   0163   0164   0165   0166   0167   0168   0169   0170   0171   0172   0173   0174   0175   0176   0177   0178   0179  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

1   2   3   4  

说明书

发明名称 : 一种二轮单轨车辆及其平衡的控制方法

技术领域

[0001]
本申请要求于2017年9月11日提交中国专利局、申请号为201710810932.6、发明名称为“一种二轮单轨车辆及其平衡的控制方法”的国内申请的优先权,其全部内容通过引用结合在本申请中。

背景技术

[0002]
二轮单轨车辆,例如:电动自行车和摩托车,以高节能、低排放和低空间占用率,越来越受到用户的喜爱,进而二轮单轨车辆的使用率逐年上升。
[0003]
驾驶人在使用二轮单轨车辆时,为了保证二轮单轨车辆的动态平衡,提出了自动控制平衡的二轮单轨车辆,自动控制平衡的二轮单轨车辆上的控制器根据车辆上安装的传感器测量得到的车辆行驶数据和行驶目标数据,采用多体动力学模型和欠驱动系统控制方法,控制二轮单轨车辆的转弯电机和刹车驱动器,以达到二轮单轨车辆的动态平衡。
[0004]
自动控制平衡的二轮单轨车辆中的转弯电机只有在非零速度的情况下才能够调节车身重心和车轮支撑点的相对位置,所以现有的自动控制平衡的二轮单轨车辆,在车辆从停车状态到行驶状态或者是从行驶状态到停车状态时,不能自动保持动态平衡。
[0005]
发明内容
[0006]
有鉴于此,本发明提供一种二轮单轨车辆及其平衡的控制方法,以解决现有的自动控制平衡的二轮单轨车辆,在车辆从停车状态到行驶状态或者是从行驶状态到停车状态时,不能自动保持动态平衡的问题。
[0007]
为解决上述技术问题,本发明采用了如下技术方案:
[0008]
一种二轮单轨车辆,包括传感器子系统、嵌入式电脑和电机驱动子系统;其中,所述电机驱动子系统包括转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和安装在前轮和后轮上的刹车驱动器构成;
[0009]
所述传感器子系统,用于采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据;
[0010]
所述嵌入式电脑,用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号;
[0011]
所述电机驱动子系统,用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[0012]
优选地,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0013]
根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[0014]
优选地,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0015]
根据所述行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;其中,所述行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息;
[0016]
根据所述传感器子系统采集的行驶数据、以及所述意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0017]
优选地,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0018]
根据所述行驶目标数据以及所述传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0019]
优选地,所述电机驱动子系统用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出时,具体用于:
[0020]
所述转弯电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出;
[0021]
所述前轮电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出;
[0022]
两个所述刹车驱动器,用于根据所述协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。
[0023]
一种二轮单轨车辆平衡的控制方法,应用于二轮单轨车辆,包括:
[0024]
传感器子系统采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据;
[0025]
嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号;
[0026]
电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[0027]
优选地,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0028]
根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[0029]
优选地,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0030]
根据所述行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;其中,所述行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息;
[0031]
根据所述传感器子系统采集的行驶数据、以及所述意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0032]
优选地,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0033]
根据所述行驶目标数据以及所述传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0034]
优选地,所述电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,包括:
[0035]
所述转弯电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出;
[0036]
所述前轮电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出;
[0037]
两个所述刹车驱动器,用于根据所述协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。
[0038]
相较于现有技术,本发明具有以下有益效果:
[0039]
本发明提供了一种二轮单轨车辆及其平衡的控制方法,本发明中嵌入式电脑根据所述行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号后,所述电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。这种方法不对车辆的状态进行限定,即车辆无论是处于停止状态,行驶状态,或者是停车状态和行驶状态之间的相互切换状态时,均能够保证车辆动态平衡行驶,解决了现有的自动控制平衡的二轮单轨车辆,在车辆从停车状态到行驶状态或者是从行驶状态到停车状态时,不能自动保持动态平衡的问题。

附图说明

[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1为本发明提供的一种二轮单轨车辆的结构示意图;
[0042]
图2为本发明提供的一种二轮单轨车辆的部分结构示意图;
[0043]
图3为本发明提供的一种嵌入式电脑执行的方法的方法流程图;
[0044]
图4为本发明提供的一种二轮单轨车辆平衡的控制方法的方法流程图。

具体实施方式

[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明实施例提供了一种二轮单轨车辆,其中,二轮单轨车辆包括但不限于自行车、摩托车等两个车轮的车辆。为了本领域的技术人员能够更加清楚的了解二轮单轨车辆的结构,现结合图1对一种二轮单轨车辆的结构进行介绍。需要说明的是,二轮单轨车辆的结构并不仅限于图1中的结构,还可以是其他的结构。另外,图1中后轮也安装了后轮驱动电机,后轮也可以不安装后轮驱动电机。
[0047]
图1中,二轮单轨车辆包括:
[0048]
带前轮驱动电机和刹车驱动器的前轮1、电子显示单元2、转弯电机3、电子方向盘4、单轨车辆车身5、无线通信天线6、嵌入式电脑7、惯性传感器8、导航模块9、通信模块10、后轮编码器11、带后轮驱动电机和刹车驱动器的后轮12和前轮编码器13。除了上述部件外,车辆还包括电子加速踏板,其中,电子加速踏板未在图中画出。
[0049]
其中,前轮1、电子方向盘4、单轨车辆车身5和后轮12组成了车身的整体架构。电子方向盘4用于人工控制车辆行驶方向,前轮驱动电机和后轮驱动电机用于驱动车辆行驶,刹车驱动器用于在刹车时,使车辆尽快停止,转弯电机3用于在车辆转弯时,驱动车辆转弯。
[0050]
电子显示单元2包括LCD显示屏、LED图像和LED点阵显示,主要用于显示车身滚动角、转弯角等行驶数据。无线通信天线6用于发射或接收电磁波。
[0051]
惯性传感器8用于测量车身角速度向量和车身加速度向量,前轮编码器13用于测量前轮转弯角、前轮转动角、前轮转弯角速度和前轮转动角速度。后轮编码器11用于测量后轮转弯角、后轮转动角、后轮转弯角速度和后轮转动角速度。
[0052]
导航模块9用于实现车辆路径的导航,其中,导航模块9可以是GPS模块。通信模块10是用来与外接设备进行通信的模块,外接设备可以是服务器等设备。
[0053]
嵌入式电脑7是实现车辆平衡的关键部件,嵌入式电脑7输出控制信号给转弯电机和前轮驱动电机,在行驶过程中,嵌入式电脑7连续调节转弯电机的转动方向和速度以达到车辆的动态平衡;在停止状态下,嵌入式电脑7 指令转弯电机使得车辆固定于大转弯角,然后持续控制前轮驱动电机力矩的方向和力矩,达到准静态平衡。
[0054]
需要说明的是,二轮单轨车辆可以有几种驱动方式。最常见的二轮单轨车辆是以后轮驱动的。以汽油发动机为动力的车辆使用动力链条或者转动杆把动力带给后轮,驱动车辆向前运动。电动的单轨车辆通常使用轮毂式电机驱动车辆后轮。在崎岖山道行驶的单轨车辆也可以采取双轮驱动,减轻后轮驱动车辆容易打滑失控的概率。使用汽油发动机的双轮驱动单轨车辆机械结构比较复杂,它需要将驱动动力输送到带转弯制的前轮上。通常的方法有齿轮和链条的力学方法和液压系统方法。电动的单轨车辆可以更加简单二轮驱动方法:使用前后轮两个轮毂电机,驱动前后车辆。单轨车辆也可以只使用前轮来驱动。虽然本实施例中前轮1和后轮2均带有驱动电机,属于双轮驱动方式,但是本发明提供的控制方法可以适用于控制前轮驱动、后轮驱动和双轮驱动这三种驱动模式。
[0055]
此外,单轨车辆通常是利用前轮转向的。单轨车辆也可以是后轮转向。本控制方法同样适用于前轮或者后轮转向的自动平衡的单轨车辆控制中。
[0056]
本实施例中转弯电机3安装在了前轮上,此外,转弯电机3也可以安装在后轮上,但是需要注意的是,当驱动电机的数量为一个时,优选地,将转弯电机和驱动电机安装在一个轮上,但是不将转弯电机和驱动电机安装在一个轮上,也能够实现本发明中的控制方法,但是车辆的整体性能不如将转弯电机和驱动电机安装在一个轮上好。
[0057]
二轮单轨车辆包括电动自行车和电动摩托车等。电动自行车和电动摩托车通常是由车身,可以转向的前叉,前轮和后轮组成。车辆是由安装在后轮或者前轮上的无刷电机驱动。车辆转弯是由驾驶人转动车把,带动前叉和前轮,改变前轮的前进方向。电脑控制的自动平衡二轮单轨车辆利用传感器,包括惯性传感器和光编码器等,测量二轮单轨车辆的行驶数据,结合驾驶人或者事先确定的道路轨迹,再利用非线性动力学模型和非线性控制模型,控制转弯电机和前轮驱动电机,带动前叉和前轮,达到车辆的动态平衡。
[0058]
参照图2,本发明提供的二轮单轨车辆包括传感器子系统11、嵌入式 电脑12和电机驱动子系统13。传感器子系统11、嵌入式电脑12和电机驱动子系统13组成二轮单轨车辆平衡的控制系统。
[0059]
其中,电机驱动子系统13包括转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和安装在前轮和后轮上的刹车驱动器构成。其中,转弯电机驱动器安装在前轮。
[0060]
传感器子系统11包括导航模块、前轮编码器、转弯光编码器和惯性传感器。
[0061]
嵌入式电脑12为安装有控制软件的电脑,控制软件是基于非线性动力学和非线性控制方法的软件。
[0062]
具体的,传感器子系统11,用于采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据;
[0063]
嵌入式电脑,用于根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号;
[0064]
电机驱动子系统,用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[0065]
具体的,行驶数据包括:
[0066]
车辆位置信息、车辆速度、前轮转弯角、前轮转动角、前轮转弯角速度、前轮转动角速度、车轮转弯角和姿态角信息。
[0067]
其中,车辆速度是由车辆上安装的导航模块测量得到。导航模块可以是GPS模块,也可以是其他的模块。
[0068]
前轮转弯角、前轮转动角、前轮转弯角速度和前轮转动角速度是由前轮编码器测量得到,前轮编码器可以是前轮光编码器。需要说明的是,后轮也安装有后轮编码器,设置后轮编码器的作用是测量得到后轮转弯角、后轮转动角、后轮转弯角速度和后轮转动角速度,后轮编码器测量的数据是为了验证前轮编码器测量得到的数据是否正确,以免前轮编码器出现故障时,测量数据出错。
[0069]
车轮转弯角是由转弯光编码器测量得到,转弯光编码器还能够测量得到车轮转弯角速度。
[0070]
姿态角信息是指车辆的偏航角、车身滚动角和俯仰角。具体的,惯性传感器测量车身角速度向量和车身加速度向量,车身角速度向量包括偏航角速度分量、滚动角速度分量和俯仰角速度分量,车身加速度分量包括偏航角加速度分量、滚动角加速度分量和俯仰角加速度分量,然后根据车身角速度向量和车身加速度向量计算得到车辆的偏航角、滚动角和俯仰角。
[0071]
车辆位置信息是由导航模块测量得到的位置信息以及根据车身角速度向量和车身加速度向量计算得到的位置信息,进行综合得到的信息。
[0072]
可选的,在本实施例的基础上,嵌入式电脑用于根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0073]
根据行驶数据和行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[0074]
其中,协同的电机驱动信号中包括前轮驱动信号、刹车驱动信号和转弯驱动信号。
[0075]
可选的,在本实施例的基础上,电机驱动子系统用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出时,具体用于:
[0076]
转弯电机驱动器根据协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出;
[0077]
前轮电机驱动器根据协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出;
[0078]
两个刹车驱动器,用于根据协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。
[0079]
本实施例中,嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号后,电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。这种方法不对车辆的状态进行限定,即车辆无论是处于停止状态,行驶状态,或者是停车状态和行驶状态之间的相互切换状态时,均能够保证车辆动态平衡行驶,解决了现有的自动控制平衡的二轮单轨车辆,在车辆从停车状态到行驶状态或者是从行驶状态到停车状态时,不能自动保持动态平衡的问题。
[0080]
为了本领域的技术人员能够进一步理解非线性动力学模型和非线性控制模型,现对非线性动力学模型和非线性控制模型进行解释说明。
[0081]
具体的,自行车和忽略了前叉弹簧,后轮减震的摩托车满足三个自由度的非线性欠驱动机械手方程:
[0082]
[数0001]


[0083]
其中,q为车辆状态矢量,M是3x3质量矩阵,C是3x3科里奥利/离心力项,G是重力项,K是力矩耦合矩阵,τ是前轮驱动电机、刹车电机和转弯电机的力矩矢量。它们的表达式为:
[0084]
[数0002]


[0085]
[数0003]


[0086]
[数0004]


[0087]
车辆状态由q=(q 1,q 2,q 3) T代表,它们分别是车身滚动角,车轮转弯角和前轮转动角。矩阵M,C,G,K的矩阵元是车身滚动角和车轮转弯角的已知解析函数。它们还和车辆的几何和动力学参数有关,τ=(τ 1,τ 2,τ 3) T分别为前轮驱动和刹车力矩、转弯电机力矩、后轮驱动和刹车力矩。
[0088]
由于K的矩阵的第一行为0,力矩τ对车身滚动角方程没有任何影响,所以车身滚动角是欠驱动的。非线性动力学方程(1)适用于任何前轮转向,前轮或者后轮驱动,以及前后轮同时驱动的二轮单轨车辆。它同时实用于处于行驶或者处于停车状态的车辆。因为前轮的角速度 可以是正的或者是负的,它也没有限制车辆是在前进或者是后退。二轮单轨车辆是一个欠驱动系统。车辆的三个自由度中,只有车轮转弯角和前轮转动角两个自由度是主动控制的。车身滚动角,也叫车身倾斜角,是没有驱动机制的。非线性欠驱动系统控制方法有很多,最主要的非线性最优控制(Nonlinear Optimal Control)、部分反馈线性化(partial feedback linearization)、神经网络控制(Neural Network Control),基于能量的控制(Energy Based Control) 和滑模控制(Sliding Mode Control)。大部分现代控制方法需要精确的车辆动力学建模。
[0089]
这里我们使用非线性最优控制来说明本发明的方法。非线性最优控制是上世纪60-70年代发展成熟的控制方法,最早用于火箭飞行控制。给出系统的花费函数(cost function),非线性最优控制计算出最优控制量u*(t)和状态x*(t)随时间的推移,在满足非线性动力学方程(1)的约束下,使得花费函数最小:
[0090]
[0091]
其中,J为系统花销。x(t 0)为车辆在起点位置时的状态,x(t f)为车辆在终点位置时的状态,t 0为起点时间,t f为终点时间。其中,状态是指行驶数据。
[0092]
并满足一阶动力学方程约束
[0093]
[数0005]


[0094]
路径约束
[0095]
p[x(t),u(t),t]≥0, (7)
[0096]
其中,函数P代表路径约束函数。
[0097]
和边条件约束
[0098]
b[x(t 0),t 0,x(t f),t f]=0. (8)
[0099]
其中,函数b代表边条件约束函数。
[0100]
利用数值迭代方法,可以计算出非线性方程的解:最优控制量u*(t),就是本系统的前轮驱动和刹车力矩、转弯电机力矩、后轮驱动和刹车力矩。车辆状态x*(t),就是车辆位置,车身滚动角、车轮转弯角、前轮转动角分别随时间的函数:
[0101]
u=u*(t) (9)
[0102]
x=x*(t) (10)
[0103]
目前高效率的数值方法有伪频谱方法(pseudospectrum)求解非线性最优控制。非线性最优控制的解和目前的车辆位置,车身滚动角、车轮转弯角、前轮转动角有关,也和车辆需要达到的位置、车身滚动角、车轮转弯角、前轮转动角有关。最优控制方法根据车辆的目前状态和用户的要求,计算出车辆的最优控制量(9)和车辆的最优状态(10)。这个过程叫前馈。它是没有反馈的。
[0104]
实际上车辆的建模误差、外部的扰动以及车辆参数的变化都会使得车辆偏移最优状态。本发明设计了线性反馈系统,消除误差和扰动,增加了系统的稳定性。假设在t时刻,车辆实际的状态为x(t),它与最优控制状态之差为dx:
[0105]
dx(t)=x(t)-x *(t). (11)
[0106]
通常车辆状态和最优控制的车辆状态差别很小,dx为小量、最优控制量修正du也是小量。可以证明dx和du满足线性二次型控制:
[0107]
[数0006]


[0108]
其中,Q、R为权重因子,为定值,S( f)为终点条件,如位置、车身滚动角、车轮转弯角、前轮转动角等。
[0109]
动力学方程约束也是在最优控制解附近的线性移展开:
[0110]
[数0007]


[0111]
A、B矩阵为非线性动力学方程在最优解x *(t)附近的泰勒展开。最优反馈控制和车辆状态有关:
[0112]
du(t)=-K(t)·dx(t)
[0113]
其中K矩阵为反馈矩阵,K(t)=R -1B TS(t),S(t)是微分黎卡提方程(differential Riccati equation)的解:
[0114]
[数0008]


[0115]
黎卡提方程是从未来解向当前时间,所以它的的初条件是在最终时间确定的:
[0116]
S(t f)=S f (15)
[0117]
通过上述计算,就可以计算出最优控制量u*(t),就是本系统的前轮驱动和刹车力矩、转弯电机力矩和后轮驱动和刹车力矩,通过前轮驱动和刹车力矩、转弯电机力矩和后轮驱动和刹车力矩对车辆进行控制即可。
[0118]
这样,控制系统可以拒绝扰动等偏差,使车辆系统稳定,同时预期达到用户指定的位置。
[0119]
本发明可以用来实现二轮单轨车辆的自动驾驶。也可以实现人工驾驶二轮单轨车辆。在自动驾驶模式下,车辆的轨迹是由导航模块,摄像头和通信模块决定的,其中,导航模块,摄像头和通信模块属于传感器子系统中的组成部分。而在人工驾驶模式下,车辆的轨迹则由驾驶人决定。驾驶人可以使用电子方向盘、电子刹车踏板和电子加速踏板输入期望的车辆行驶方向和速度,嵌入式电脑根据驾驶人的输入和传感器测量值,计算出车辆的轨迹和控制输出,控制驱动电机和转弯电机,在单轨车辆行驶和停止状态下,达到车辆的平衡。
[0120]
需要说明的是,本发明和目前常用的单轨车辆控制方法有本质的区别:
[0121]
现有技术的控制方法限定一些自由度、计算出一些控制信号。本发明使用动力学和现代控制方法,在不限制车辆的任何自由度情况下,计算出协同控制输出。本系统的控制信号u*(t)和du(t),同时具有前轮驱动电 机和刹车的控制信号、也具有转弯电机的控制信号、后轮驱动电机和刹车的控制信号。这些信号同时共同作用的,使得车辆平衡稳定地达到用户需要的状态和目的地。
[0122]
可选的,在上述任一实施例的基础上,嵌入式电脑用于根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0123]
S11、根据行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;
[0124]
其中,行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息。
[0125]
具体的,根据方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息,嵌入式电脑能够推测出车辆的驾驶人的意愿路径,即能够推测出用户的下一行驶位置。其中,意愿路径可以是下一10s所行驶的路径。
[0126]
本实施例适用于人工驾驶二轮单轨车辆,人工驾驶时,人工会控制电子刹车踏板、电子加速踏板和电子方向盘。嵌入式电脑能够接收到人工输入的电子刹车踏板的深度值、电子加速踏板的深度值和电子方向盘的转动值。
[0127]
S12、根据传感器子系统采集的行驶数据、以及意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0128]
具体的,将行驶数据、以及意愿路径代入到非线性动力学模型和非线性控制模型,即可计算出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号,此外,还可以计算到车身滚动角、车身偏航角、前轮转弯角的随时间变化的曲线,其中,转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号也为随时间变化的曲线。
[0129]
其中,本实施例中,意愿路径只是当前时间的下一个预设时间内的意愿路径,其中,预设时间可以是10s,具体的,假设车辆从起始地A行驶到目的地B,此时,如果计算出整个路程的意愿路径,由于车辆在整个行驶路程中可能会遇到石头等障碍物或者其他路况,进而就导致车辆不能按照意愿路径进行行驶,此时得到的意愿路径就不再有意义,需要重新计算得到新的意愿路径,所以计算出整个路程的意愿路径是不可取的,因此,本实施例采用仅计算10s的意愿路径,当这个10s的意愿路径行走完时,再计 算下一个10s的意愿路径。
[0130]
需要说明的是,计算得到转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号后,由于车辆的实际运行状态与行驶目标数据是有差距的,如行驶目标数据中的转弯角为30度,而车辆的实际运行状态信息中的转弯角为28度,由于行驶目标数据中的数值是车辆在保持平衡下的最优的行驶状态,即需要对二轮单轨车辆的行驶数据进行修正。
[0131]
具体的修正过程包括:
[0132]
1)将意愿路径和行驶数据代入预设的轨迹偏差修正公式,计算得到车辆的转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号修正值。
[0133]
具体的,将意愿路径和行驶数据代入预设的轨迹偏差修正公式,其中,轨迹偏差修正公式为上述的公式11-15,结合轨迹偏差修正公式、非线性动力学模型和非线性控制模型,就可以对计算得到转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号修正值。
[0134]
需要说明的是,虽然按照意愿路径进行控制,但是由于车辆受到外界环境的影响,如遇到石头等障碍物,或者遇到大风等情况,会使车辆的行驶状态改变,进而需要对车辆的行驶状态进行修正。
[0135]
2)按照转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号修正值,调整转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的输出信号,以使车辆按照意愿路径动态平衡行驶。
[0136]
得到转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号修正值后,将转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的输出信号调节到相应的控制信号修正值,即能够实现将车辆按照行驶目标数据动态平衡行驶。
[0137]
本实施例中,提供了一种人工驾驶二轮单轨车辆的控制方式,进而能够按照本方式对二轮单轨车辆进行控制,以达到动态平衡。
[0138]
可选的,在图2对应的实施例的基础上,嵌入式电脑用于根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于:
[0139]
根据行驶目标数据以及传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转 弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0140]
具体的,本发明既适用于自动驾驶二轮单轨车辆,也适用于人工驾驶二轮单轨车辆。本实施例中介绍的是将本发明应用于自动驾驶二轮单轨车辆。
[0141]
行驶目标数据是外接设备输入的,其中,行驶目标数据可以是10s的一段路程的行驶目标数据。
[0142]
然后,将行驶目标数据以及传感器子系统采集的行驶数据代入到非线性动力学模型和非线性控制模型中,计算得到转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。此外,还可以计算到车身滚动角、车身偏航角、前轮转弯角的变化曲线,其中,转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号也为变化的曲线。
[0143]
需要说明的是,本实施例中,也需要对转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号进行修正,具体修正过程参照人工驾驶二轮单轨车辆中的修正过程,在此不再赘述。
[0144]
本实施例中,提供了一种自动驾驶二轮单轨车辆的控制方式,进而能够按照本方式对二轮单轨车辆进行控制,以达到动态平衡。
[0145]
本发明中,车辆在非零速度行驶时,本控制系统自动加强车辆转弯电机力矩τ 2的控制,使得前轮或者后轮车轮转弯角可以有效地调节车身重心相对前后轮横向位置。在正常行驶时,可以实现有效实现车辆的稳定平衡。
[0146]
在车辆处于低速度或者是停止不动时,车辆前轮或者后轮车轮转弯角不能调节车辆重心相对位置。但是后轮驱动时,在固定的大车轮转弯角下,前后移动车辆可以调节车辆重心相当于车轮支撑点的相对位置。本发明的控制系统自动加强对前轮或者后轮的驱动电机力矩控制,调节的前轮和/或后轮驱动电机力矩τ 1,τ 3实现车辆的稳定平衡。通常车辆是在大车轮转弯角下(比如+-45度以上,甚至+-90度),车辆前轮或者后轮驱动电机快速前后微小调节车辆的位置。如果是前轮转向的单轨车辆,在前轮驱动电机力矩τ 1的控制下,车辆可以达到稳定平衡。本发明的非线性动力学模型计算表明,当车轮转弯角等于90度时,K 33=0。这是因为车轮转弯角在90度时,如果前轮不打滑,后轮是不能驱动车辆前进的,因而不能用来控制车辆的 平衡。不管使用前轮或者后轮来控制车辆平衡,嵌入式电脑必须可以指令驱动电机正向和反向的快速切换。这个指令是在非零速度行驶的单轨车辆自动控制中没有的。如果车辆是前轮驱动或者前后轮同时驱动,静态平衡可以更加有效:电脑控制的自动平衡系统可以把车轮转弯角固定在90度或者是-90度,根据传感器测量的信息和控制算法,快速调节前轮驱动电机,使得车身做微小的左右移动,达到自动平衡的目的。
[0147]
在车辆起步或者是停车时,本发明的控制方法平稳地在两个控制模式上切换。安装非线性控制模型的嵌入式电脑,只要可以控制转向电机,就可以在车辆行驶时,保持车辆平衡。同时,只要可以控制安装在前轮,或者后轮上的驱动电机,就可以在车辆停止的状态下保持车辆的稳定平衡。即使是在外界扰动的,比如阵风或者是人为推动车辆,偏离平衡状态下,嵌入式电脑依然可以调节车辆驱动电机,修正车辆的车身滚动角,把车辆带到平衡状态下。
[0148]
为了本领域的技术人员清楚明白的了解本发明,现以人工驾驶和自动驾驶车辆两个例子进行解释说明。
[0149]
(1)人工驾驶二轮单轨车辆
[0150]
本实施例提供的二轮单轨车辆,主要有7个组成部分:斜长的车身,安装在车身前部的带转向电机的前轮,安装在车后部的带动力驱动的后轮,多个传感器(包括光编码器和惯性传感器),电子记录仪,带控制软件的嵌入式电脑,和控制转向电机,驱动电机的输出构成。车身可以是带门,座椅的全封闭式的单元,以及车身内驾驶人电子控制输入、和显示车辆实际行驶状态信息的电子显示单元。
[0151]
驾驶人可以加入车辆内部,在座椅上坐下以后,启动控制系统。嵌入式电脑启动后,传感器开始采集车辆的行驶数据,驾驶人踩下电子加速踏板,嵌入式电脑根据驾驶人输入的油门和方向盘数据,计算出前轮驱动电机和转弯电机的控制信号,指令电机的转矩和转动方向,在平衡车辆的同时,达到驾驶人需要的车辆速度和车辆行驶方向。嵌入式电脑持续利用传感器采集的行驶数据和驾驶人的输入信号,重复修正车辆需要到达的状态和位置,连续调整转弯电机的力矩,让车辆稳定行驶。
[0152]
当驾驶人踩下电子刹车踏板时,嵌入式电脑及时更新车辆的状态,利用非线性动力学模型和非线性控制模型,计算出最优的前后轮刹车力矩,和转向电机力矩,在保持车辆平衡的条件下,安全快捷的减低车辆速度。当速度减低到一个阈值时,嵌入式电脑自动切换到准静态控制模式,在固定一个非0的车轮转弯角下,放松电子刹车,调节前轮驱动电机的力矩和转动方向,达到准静态平衡。这种控制方法适用于暂时停车。
[0153]
当驾驶人踩下电子加速踏板后,嵌入式电脑更新车辆的状态,调节转向电机,不再调节驱动力矩的方向,增加驱动电机的正向力矩,驱动车辆前进。
[0154]
驾驶人可以通过电子LCD显示屏,了解车辆的行驶状态。利用电子方向盘控制车辆的方向,利用电子刹车踏板和电子油门踏板控制车辆的速度。
[0155]
(2)自动驾驶二轮单轨车辆
[0156]
可以采用机器人自动驾驶二轮单轨车辆。车辆平衡的控制系统主要有8个组成部分:斜长的车身,安装在车身前部的带转向电机和驱动电机的前轮,安装在车后部的没有驱动电机的后轮,通信模块,导航模块,多个传感器(包括光编码器、惯性传感器和视频采集传感器),电子记录仪,带控制软件的嵌入式电脑,和控制转向电机,驱动电机的输出构成。斜长的车身可以运送人员或者货物。
[0157]
自动驾驶单轨车辆,根据用户输入信息,或者是远端自动驾驶服务器通过通信模块发来的目的地和路径信息,规划出最佳路径,车辆传感器测量车辆的行驶数据,嵌入式电脑计算出转弯电机和前轮驱动电机的控制信号,指令车辆运行。视频采集传感器提供路况3D实时信息,时刻发现规划路径上的障碍物信息。嵌入式电脑根据这些信息,重新规划路径,或者命令车辆停止运行,通信模块发送车辆和路况信息给远端自动驾驶服务器。当视频采集传感器探测到障碍物消失已经,嵌入式电脑再重新启动车辆,驶向目的地。
[0158]
可选的,本发明的另一实施例中提供了一种二轮单轨车辆平衡的控制方法,应用于二轮单轨车辆,参照图4,包括:
[0159]
S21、传感器子系统采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据;
[0160]
S22、嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号;
[0161]
S23、电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[0162]
可选的,在本实施例的基础上,嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0163]
根据行驶数据和行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[0164]
可选的,在本实施例的基础上,电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,包括:
[0165]
转弯电机驱动器根据协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出;
[0166]
前轮电机驱动器根据协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出;
[0167]
两个刹车驱动器,用于根据协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。
[0168]
本实施例中,嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号后,电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。这种方法不对车辆的状态进行限定,即车辆无论是处于停止状态,行驶状态,或者是停车状态和行驶状态之间的相互切换状态时,均能够保证车辆动态平衡行驶,解决了现有的自动控制平衡的二轮单轨车辆,在车辆从停车状态到行驶状态或者是从行驶状态到停车状态时,不能自动保持动态平衡的问题。
[0169]
需要说明的是,本实施例中的步骤的具体解释说明,请参照上述实施例中的相应说明。
[0170]
可选的,在上述任一控制方法的实施例的基础上,嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0171]
根据行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;其中,行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息;
[0172]
根据传感器子系统采集的行驶数据、以及意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0173]
本实施例中,提供了一种人工驾驶二轮单轨车辆的控制方式,进而能够按照本方式对二轮单轨车辆进行控制,以达到动态平衡。
[0174]
需要说明的是,本实施例中的步骤的具体解释说明,请参照上述实施例中的相应说明。
[0175]
可选的,在上述图4对应的实施例的基础上,嵌入式电脑根据行驶数据和行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括:
[0176]
根据和行驶目标数据以及传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[0177]
本实施例中,提供了一种自动驾驶二轮单轨车辆的控制方式,进而能够按照本方式对二轮单轨车辆进行控制,以达到动态平衡。
[0178]
需要说明的是,本实施例中的步骤的具体解释说明,请参照上述实施例中的相应说明。
[0179]
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种二轮单轨车辆,其特征在于,包括传感器子系统、嵌入式电脑和电机驱动子系统;其中,所述电机驱动子系统包括转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和安装在前轮和后轮上的刹车驱动器构成; 所述传感器子系统,用于采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据; 所述嵌入式电脑,用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号; 所述电机驱动子系统,用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的二轮单轨车辆,其特征在于,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于: 根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的二轮单轨车辆,其特征在于,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于: 根据所述行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;其中,所述行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息; 根据所述传感器子系统采集的行驶数据、以及所述意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的二轮单轨车辆,其特征在于,所述嵌入式电脑用于根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号时,具体用于: 根据所述行驶目标数据以及所述传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的二轮单轨车辆,其特征在于,所述电机驱动子系统用于根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出时,具体用于: 所述转弯电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出; 所述前轮电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出; 两个所述刹车驱动器,用于根据所述协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。
[权利要求 6]
一种二轮单轨车辆平衡的控制方法,其特征在于,应用于二轮单轨车辆,包括: 传感器子系统采集二轮单轨车辆的行驶数据和行驶目标数据; 嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号; 电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,使得二轮单轨车辆达到动态平衡、并按照行驶目标数据规划行驶。
[权利要求 7]
根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括: 根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,基于非线性动力学模型和非线性控制模型,计算并输出协同的电机驱动信号。
[权利要求 8]
根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括: 根据所述行驶目标数据,计算得到驾驶人的意愿路径;其中,所述行驶目标数据包括驾驶人输入的方向盘信息、刹车踏板信息和油门踏板信息; 根据所述传感器子系统采集的行驶数据、以及所述意愿路径,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[权利要求 9]
根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述嵌入式电脑根据所述行驶数据和所述行驶目标数据,计算并输出协同的电机驱动信号,包括: 根据所述行驶目标数据以及所述传感器子系统采集的行驶数据,计算并输出转弯电机驱动器、前轮电机驱动器和两个刹车驱动器的控制信号。
[权利要求 10]
根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述电机驱动子系统根据协同的电机驱动信号中的每个信号控制相应的电机的力矩输出,包括: 所述转弯电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的转弯驱动信号,控制转弯电机的力矩输出; 所述前轮电机驱动器根据所述协同的电机驱动信号中的前轮驱动信号,控制前轮驱动电机的力矩输出; 两个所述刹车驱动器,用于根据所述协同的电机驱动信号中的刹车驱动信号,控制两个刹车电机的力矩输出。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]