两轮车、车辆自平衡控制方法及计算机可读存储介质与流程

本技术涉及交通工具领域，具体而言，涉及一种两轮车、车辆自平衡控制方法及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、两轮车因其小巧的体积和灵活的操控在城市交通中具有独特的优势。然而，由于其独特的两轮设计，使得两轮车在行驶过程中存在着平衡性较差的问题。尤其是两轮车在静止或低速行驶时容易失去平衡而发生翻车事故，这给驾驶者的安全带来了严重威胁。因而，提高两轮车的平衡控制效率显得尤为重要。现有的平衡控制技术虽然在一定程度上能够改善两轮车的稳定性，但仍存在着响应速度慢的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例的目的在于提供一种两轮车、车辆自平衡控制方法及计算机可读存储介质，能够提高两轮车平衡效率。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种两轮车，包括：惯量轮机构、惯量轮制动机构、第一车轮、第二车轮以及车架；所述第一车轮和所述第二车轮设置在所述车架上；所述惯量轮机构设置在所述车架上，所述惯量轮机构安装在所述两轮车沿所述两轮车的前进方向的中轴线上；所述惯量轮机构配置为在所述两轮车的倾斜角度超出自平衡角度范围的情况下，产生固定惯量力矩；其中，所述固定惯量力矩配置为减小所述两轮车的倾斜趋势；所述惯量轮制动机构连接所述惯量轮机构；所述惯量轮制动机构配置为在所述两轮车的倾斜角度在所述自平衡角度范围内的情况下，控制所述惯量轮机构停止产生所述固定惯量力矩；其中，所述两轮车的倾斜角度在所述自平衡角度范围内的情况下，所述惯量轮机构切换至自平衡状态；所述惯量轮机构还配置为在所述自平衡状态下，根据所述两轮车的实时运动信息控制所述两轮车的倾斜角度维持在所述自平衡角度范围内。

3、在上述实现过程中，通过在两轮车上设置惯量轮机构和惯量轮制动机构，且为惯量轮机构提前配置固定惯量力矩，在两轮车发生倾倒时，通过该固定惯量力矩先将两轮车扶正，并在两轮车的倾斜角度在自平衡角度范围内的情况下，再通过惯量轮制动机构对惯量轮机构进行制动，以避免固定惯量力矩影响两轮车的自平衡状态。由于固定惯量力矩是提前设置的，在两轮车倾倒时，可以直接通过惯量轮机构产生，无需再根据倾倒情况进行惯量力矩的实时计算，可以减少因惯量力矩计算花费的时间，提高两轮车扶正效率。另外，在两轮车达到自平衡状态后，通过外部惯量轮制动机构对惯量轮机构进行强制制动操作，以维持车辆自平衡状态，减少两轮车发生倾倒的风险，提高两轮车的安全性。

4、在一个实施例中，所述惯量轮机构，包括：外转子无刷电机和惯量飞轮；所述惯量飞轮固定设置在所述外转子无刷电机的一侧；所述外转子无刷电机配置为驱动所述惯量飞轮旋转；所述惯量轮制动机构连接所述外转子无刷电机远离所述惯量飞轮的另一侧；所述惯量轮制动机构配置为控制所述外转子无刷电机停止带动所述惯量飞轮产生所述固定惯量力矩。

5、在上述实现过程中，由于外转子无刷电机具有高能量密度、高效率和高转矩输出等优点，通过将驱动惯量飞轮动作的动力装置设置为外转子无刷电机，可以减少惯量飞轮动作所需的动力装置（如，加速器、减速器等），在简化惯量轮机构的结构的同时，降低惯量轮机构的成本。另外，由于惯量飞轮具有储能和释能的作用，可以使得惯量飞轮能够输出相对稳定的力矩，通过设置惯量飞轮维持两轮车行驶过程中的平衡，可以提高两轮车运动过程中的稳定性。

6、在一个实施例中，所述惯量轮制动机构包括：制动片和制动抱闸；所述外转子无刷电机远离所述惯量飞轮的另一侧包括固定座；所述固定座固定设置在所述外转子无刷电机远离所述惯量飞轮的另一侧的表面上；所述制动片套设在所述固定座上，并固定安装在所述外转子无刷电机远离所述惯量飞轮的另一侧的表面上；所述制动片配置为随所述外转子无刷电机旋转；所述制动抱闸固定安装在所述固定座贯穿所述制动片的一端；所述制动抱闸配置为控制所述外转子无刷电机停止产生所述固定惯量力矩。

7、在上述实现过程中，通过在惯量轮制动机构中设置制动片和制动抱闸，在对惯量飞轮进行制动操作时，制动片首先与制动鼓或制动盘接触，通过摩擦产生阻力，开始减缓惯量飞轮的转速。同时，制动抱闸也迅速响应，施加制动力，进一步阻止外转子无刷电机旋转。该制动片和制动抱闸共同作用，可以实现更加快速、平稳和安全的制动效果，提高惯量飞轮的制动效率和稳定性。

8、在一个实施例中，该两轮车还包括：控制装置和惯性测量单元；所述控制装置设置在所述车架上；所述惯性测量单元设置在所述控制装置上，所述惯性测量单元配置为获取所述两轮车的运动信息；所述控制装置连接所述惯量轮机构和所述惯量轮制动机构；所述控制装置配置为根据所述运动信息生成控制信号，并向所述惯量轮机构和所述惯量轮制动机构发送所述控制信号；所述惯量轮机构和所述惯量轮制动机构配置为根据所述控制信号动作。

9、在上述实现过程中，通过在两轮车中设置控制装置和惯性测量单元，该惯性测量单元用于获取两轮车的实时运动信息，控制装置用于根据运动信息生成控制惯量轮机构和惯量轮制动机构的控制信息，进而实现对惯量轮机构和惯量轮制动机构的自动控制，整个过程中无需使用者参与，提高使用者的使用体验。

10、在一个实施例中，所述惯性测量单元包括：惯性测量芯片、加热电阻以及电路板；所述惯性测量芯片和所述加热电阻均焊接在所述电路板上；其中，所述加热电阻为多个，多个所述加热电阻围绕所述惯性测量芯片设置；所述加热电阻配置为维持所述惯性测量芯片的温度在设定范围内。

11、在上述实现过程中，由于惯性测量单元的工作受环境温度影响较大，通过在惯性测量芯片的周围设置加热电阻，该加热电阻可以根据惯性测量芯片的温度产生相应的热量，进而对惯性测量芯片的环境温度进行调整，以使得惯性测量芯片始终工作在稳定的环境温度下，进而提高惯性测量芯片测量运动信息的准确性。

12、在一个实施例中，所述惯量轮制动机构，包括：刹车电机、制动抱闸和第一牵引件；所述控制装置和所述刹车电机连接；所述控制装置配置为向所述刹车电机发送控制信号；所述第一牵引件的一端连接所述刹车电机，所述第一牵引件的另一端连接所述制动抱闸；所述刹车电机配置为在所述控制信号下动作；所述制动抱闸固定安装在所述惯量轮机构上；所述制动抱闸配置为在所述刹车电机的控制下动作。

13、在上述实现过程中，通过将刹车电机与控制装置连接，控制装置可以根据惯量轮结构的动作情况生成控制信息，并基于控制信息自动控制刹车电机，实现惯量轮制动机构的自动控制，减少使用者的操作，提高用于体验。另外，由于控制信息是根据惯量轮机构的实际动作信息生成，因而得到的惯量轮制动机构的控制信息更加准确和真实，进而可以提高惯量轮制动机构控制的准确性。

14、在一个实施例中，该两轮车还包括：舵机、第二牵引件以及外设刹车控制元件；所述舵机连接所述外设刹车控制元件和所述第二牵引件的一端；所述第二牵引件的另一端连接所述刹车电机；所述刹车电机还配置为在所述舵机的牵引下动作。

15、在上述实现过程中，由于外设刹车控制元件获取的是外部输入的控制信息，即手动控制信息。通过外设刹车控制元件控制惯量轮制动机构，即手动控制惯量轮制动机构，而手动方式都是基于机械结构实现刹车电机的控制，相对于电气控制方式，纯机械控制方式具有更好的稳定性，可以提高惯量轮制动机构控制的稳定性。

16、在一个实施例中，该两轮车还包括：收发模块；所述收发模块设置在所述车架上；所述收发模块连接所述控制装置和外部控制设备；其中，所述收发模块配置为将外部控制设备发出的遥控信息发送给所述控制装置；所述控制装置配置为根据所述遥控信息生成所述控制信号。

17、在上述实现过程中，通过在车架上设置收发模块，该收发模块可以用于与外部控制设备建立连接，进而通过外部控制设备控制两轮车动作，实现两轮车的远程控制，可以提高两轮车控制的便捷性和灵活性。

18、第二方面，本技术实施例还提供一种车辆自平衡控制方法，应用于第一方面，或第一方面的任一种可能的实施方式中所述的两轮车，包括：获取所述两轮车的当前车身角度；根据所述当前车身角度计算所述两轮车的倾斜角度；其中，所述倾斜角度为欧拉角；根据所述倾斜角度与自平衡角度范围的关系判断所述两轮车的当前状态；若判定所述倾斜角度在所述自平衡角度范围内，则确定所述当前状态为自平衡状态；在所述自平衡状态下，根据所述倾斜角度计算惯量轮机构的控制信号；所述惯量轮机构配置为根据所述控制信号动作，以控制所述倾斜角度维持在所述自平衡角度范围内。

19、在上述实现过程中，通过根据当前车身角度实时监测两轮车的当前状态，以在两轮车处于自平衡状态时，根据两轮车的倾斜角度实时计算惯量轮机构的控制信号，进而通过惯量轮机构维持两轮车的自平衡状态，减少两轮车发生倾倒的风险，提高两轮车的安全性。

20、在一个实施例中，所述方法还包括：若判定所述倾斜角度超出所述自平衡角度范围，则确定所述当前状态为倾倒状态；在所述倾倒状态下，控制所述惯量轮机构产生固定惯量力矩；其中，所述固定惯量力矩配置为减小所述两轮车的倾斜趋势；在所述倾斜角度调整到所述自平衡角度范围内后，启动惯量轮制动机构，并控制所述惯量轮机构切换至所述自平衡状态；其中，所述惯量轮制动机构配置为控制所述惯量轮机构停止产生所述固定惯量力矩。

21、在上述实现过程中，在两轮车处于倾倒状态下时，惯量轮机构产生固定惯量力矩以通过固定惯量力矩将两轮车的倾斜角度调整到自平衡角度范围，并在倾斜角度调整到自平衡角度范围内后，启动惯量轮制动机构，该惯量轮制动机构控制该惯量轮机构转换为自平衡状态。由于固定惯量力矩是提前设置的，在两轮车倾倒时，可以直接通过惯量轮机构产生，无需再根据倾倒情况进行惯量力矩的实时计算，可以减少因惯量力矩计算花费的时间，提高两轮车扶正效率。另外，在两轮车达到自平衡状态后，通过外部惯量轮制动机构对惯量轮机构进行强制制动操作，以维持车辆自平衡状态，减少两轮车发生倾倒的风险，提高两轮车的安全性。

22、在一个实施例中，所述固定惯量力矩通过以下公式计算得到：；其中，为固定惯量力矩，为惯量飞轮的重量，为惯量飞轮的重心高度。

23、在上述实现过程中，通过根据惯量飞轮的重量、重心高度等计算固定惯量力矩，不同惯量飞轮可能计算得到的固定惯量力矩不同，使得每种惯量飞轮都有对应的固定惯量力矩，提高固定惯量力矩计算的准确性。

24、在一个实施例中，所述根据所述倾斜角度计算惯量轮机构的控制信号，包括：获取所述两轮车的实时运动信息，所述实时运动信息包括所述倾斜角度；根据所述实时运动信息和lqr控制器算法计算所述控制信号；所述根据所述倾斜角度计算惯量轮机构的控制信号之后，所述方法还包括：获取所述惯量轮机构根据所述控制信号动作后的运动信息；根据所述运动信息和第一pid控制器调节所述控制信号，并基于调节后的控制信息进一步控制所述惯量轮机构动作，直到所述两轮车达到平衡状态。

25、在上述实现过程中，在两轮车处于自平衡状态时，基于第一pid控制器和运动信息实时调节控制信号，并基于控制信号实时控制惯量轮机构动作，进而完成两轮车的动态运动调节，即使在两轮车的两侧质量分布不平衡时，也能实现两轮车的自平衡，提高两轮车运动的稳定性。

26、在一个实施例中，所述控制信号通过以下公式计算得到：；；；；其中，为车身角度比例值，为车身速度比例值，为惯量轮转动比例值，为摆动角度，为摆动速度，为外转子无刷电机速度，为车身角度，为车身速度，为车身质量，为向外转子无刷电机输出的扭矩。

27、在上述实现过程中，通过根据两轮车的实时运动参数计算向外转子无刷电机输出的扭矩，进而实现对惯量飞轮的转向和转速进行控制，以通过惯量飞轮调节两轮车的运动状态，延长两轮车处于自平衡状态的时间，提高两轮车运行中的稳定性。

28、在一个实施例中，所述根据所述倾斜角度计算惯量轮机构的控制信号之后，所述方法还包括：若所述两轮车的行驶速度大于速度阈值，获取所述两轮车的转向信息；通过第二pid控制器和所述转向信息计算控制转向电机的电流信息；控制所述转向电机按照所述电流信息动作，并继续获取所述两轮车的转向信息，直到所述两轮车达到平衡状态。

29、在上述实现过程中，在两轮车的行驶速度较大时，通过根据车轮车的转向信息和第二pid控制器生成电流信息控制转向电机动作，并通过转向电机维持两轮车的自平衡状态。由于转向角度会影响车辆重心的移动，进而可以通过模拟人为控制方向实现平衡以节省惯量轮机构中动力装置的耗电，进而降低惯量轮机构的耗能，提高两轮车的续航时长。

30、在一个实施例中，所述获取所述两轮车的当前车身角度之前，所述方法还包括：在所述两轮车上电的情况下，初始化所述两轮车中的元件；以及检测所述两轮车中各元件的工作状态；在检测到所述两轮车中存在工作状态为故障状态的元件的情况下，发出报警并锁定所述两轮车。

31、在上述实现过程中，在两轮车上电后，先初始化两轮车中的元件，使得两轮车中的各个元件均处于初始化状态，提高两轮车中各个元件动作的准确性。另外，再对各个元件的工作状态进行检测，在检测到存在故障状态的元件时，锁定该两轮车，以避免在两轮车存在故障的情况下，继续使用该两轮车，提高两轮车使用的安全性，减少车辆或人员在行车过程中的危险。

32、在一个实施例中，所述方法还包括：获取惯性测量芯片的当前环境温度；确定所述当前环境温度和目标温度之间的温度差值，所述目标温度为所述惯性测量芯片工作时需要维持的温度；根据所述温度差值计算各个加热电阻的工作参数，所述加热电阻配置为根据相应的所述工作参数产生相应的温度。

33、在上述实现过程中，在两轮车运行过程中，通过获取惯性测量芯片的周围环境温度，并基于周围环境温度和目标温度之间的温度差值确定加热电阻的工作参数，进而通过加热电阻调节惯性测量芯片周围的环境温度，使得惯性测量芯片始终工作在目标温度的环境中，降低环境温度对惯性测量芯片的影响，提高测量准确性。

34、第三方面，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述第二方面，或第二方面的任一种可能的实施方式中车辆自平衡控制方法的步骤。

35、第四方面，本技术实施例还提供一种控制装置，包括：获取模块，用于获取所述两轮车的当前车身角度；计算模块，用于根据所述当前车身角度计算所述两轮车的倾斜角度；其中，所述倾斜角度为欧拉角；判断模块，用于根据所述倾斜角度与自平衡角度范围的关系判断所述两轮车的当前状态；确定模块，用于若判定所述倾斜角度在所述自平衡角度范围内，则确定所述当前状态为自平衡状态；所述计算模块，还用于在所述自平衡状态下，根据所述倾斜角度计算惯量轮机构的控制信号；所述惯量轮机构配置为根据所述控制信号动作，以控制所述倾斜角度维持在所述自平衡角度范围内。

36、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

37、附图说明

38、为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

39、图1为本技术实施例提供的两轮车整体结构示意图；

40、图2为本技术实施例提供的两轮车的惯量轮机构爆炸图；

41、图3为本技术实施例提供的惯性测量单元示意图；

42、图4为本技术实施例提供的车辆自平衡控制方法的流程图；

43、图5为本技术实施例提供的两轮车处于倾倒状态时，该两轮车的控制方式流程图；

44、图6为本技术实施例提供的两轮车处于自平衡状态时，该两轮车的控制方式流程图；

45、图7为本技术实施例提供的控制装置的功能模块示意图。