[0001] 本发明涉及平衡控制领域，尤其涉及一种平衡车控制装置、控制系统及平衡车。

[0002] 现有技术总双轮平衡车通常采用姿态传感器(如陀螺仪或加速度计)来监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，再利用中央处理器根据所述俯仰状态和状态变化率生成适当的指令，再通过该指令驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到车体前后的平衡。单独使用陀螺仪或者加速度计，在监测车身所处的俯仰状态和状态变化率时出现的误差较大，导致难以提供有效而可靠的信号或者数据来保证车体的平衡，尤其在停止状态下，现有的姿态传感器无法保持平衡状态。

[0026] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0027] 本实施例涉及一种平衡车控制装置，包括电源电路1、主控电路2、电机驱动电路3、平衡控制电路4。所述电源电路、电机驱动电路3、平衡控制电路4分别与所述主控电路2连接。所述电源电路为控制主控电路2、电机驱动电路3、平衡控制电路4的提供电源。所述平衡控制电路4用于获取姿态变化数据，并将该姿态变化数据发送至控制电路，控制电路根据所述姿态变化数据生成驱动信号，将驱动信号发送至电机驱动电路3，电机驱动电路3根据控驱动信号执行驱动操作。通过电机驱动电路3执行驱动操作，可以使得安装有该平衡车控制装置的平衡车执行前进、后退、左转弯、右转弯或停车等操作，并且平衡车在执行这些操作的过程中能保持平衡。主控电机可以根据所述姿态变化数据计算得到可以包括前进、后退、左转、右转、保持平衡等驱动信号。平衡控制电路4提供的姿态变化数据，可以快速被主控电路2识别并计算，从而使得平衡车不管是在停止状态还是运动状态均可保持平衡。

[0028] 所述电源电路1可以包括稳压电路11、第一供电电路12及第二供电电路13。第一供电电路12及第二供电电路13分别与稳压电路11电性连接。所述第一供电电路12可以与所述电机驱动电路3连接，用于为电机驱动电路3及电机供电。所述第二供电电路13可以与主控电路2连接，用于为主控电路2及、平衡控制电路4供电。作为优选地，所述电源电路还可以包括充电电池，通过充电电池存储电量。

[0029] 主控电路2正常工作时，其从平衡控制电路4采集的姿态变化数据经过一定的比例关系进行转换才能驱动信号。所述主控电路2可以根据平衡控制电路4采集的姿态变化数据生成三个旋转角度、三个方向的加速度数值以及当前温度数值。

[0030] 作为优选方案，所述所述平衡控制电路4包括六轴陀螺仪芯片，所述六轴陀螺仪芯片用于获取姿态变化数据，并将该姿态变化数据发送至控制电路。可以包括六个AD转换器(analog to digital converter，模拟数字转换器)。所述六轴陀螺仪芯片的数据采集与发送系统是基于陀螺仪对空间姿态数据采集的基础上，将采集到的数据传送给主控电路2，实现对生成三个旋转角度、三个方向的加速度数值以及当前温度数值的生成，从而使得平衡车不管是在停止状态还是运动状态均可保持平衡。

[0031] 所述平衡控制电路4包括三轴陀螺仪及三轴加速度计；所述三轴陀螺仪及三轴加速度计分别采集电信号，并件电信号转化成姿态变化数据发送至主控电路2。三轴陀螺仪和三轴加速度计分别采集其x轴、y轴和z轴的电压值，然后通过AD转换，转换成数字信号，数字2
信号为姿态变化数据，然后可以通过I C总线传送到主控电路2的控制芯片，但此时得到的值并不是实际的角度和角速度值，还必须经过一定的比例关系进行转换，例如放大一定倍数，才能得到实际的角度值和角速度值。本发明可以将三轴陀螺仪和三轴加速度计二者结合在一起，精度较高而且减少了占用PCB板的空间。同时，在该所述平衡控制电路4上内置了一个温度传感器和在工作调节误差在±1％内的振荡器(振荡器可以稳定送给主控电路2的平衡车姿态信号)。平衡车的操控是耦合横轴和纵轴夹角实现平衡。

[0032] 主控电路2检测平衡车是否出现倾倒的情况，若是，则通过六轴陀螺仪芯片获取平衡车姿态的偏差信号(通过三轴陀螺仪及三轴加速度计分别采集电信号，生成偏差信号)，然后主控电路2根据偏差信号确定第一驱动信号，将第一驱动信号发送至第一电机驱动电路31，通过第一电机驱动电路31，第一电机驱动电路31驱动第一电机工作使得平衡车处于平衡状态；若不是，则通过六轴处理芯片获取平衡车姿态的变化信号(通过三轴陀螺仪及三轴加速度计分别采集电信号，生成变化信号)，然后主控电路2根据所述变化数据生成第二驱动信号，将第二驱动信号发送至第二电机驱动电路32，第二电器驱动电路调整平衡车运动的姿态，从而使得平衡车不关是行走还是非行走状态都处于平衡状态。

[0033] 偏差信号生成的方式可以是：平衡控制电路4的六轴处理芯片获取三轴陀螺仪及三轴加速度计采集电信号(如电压、电流等)，生成相应的姿态控制数据，主控电路2可以根据所述姿态控制数据中角度数据或角速度数据中的至少一个计算得到驱动信号，判断该驱动信号是否为保持平衡，从而判断平衡车是否有倾倒的风险。保持平衡可以是指平衡车倾倒过程时通常是车身角度发生倾斜，从而使得六轴处理芯片获取三轴陀螺仪及三轴加速度计采集电信号发生相应的变化而形成。平衡车倾斜时需要一个反力阻止平衡车倾斜，从而达到平衡。因此可以通过对角速度数据和角度数据中的至少一个进行微分处理得到第一驱动信号，根据第一驱动信号对设定第一电器驱动电路的电压值，所述电压值可是第一电机瞬间转动需要的电压值，第一电机在瞬时加速下产生离心加速度将平衡车往其倾倒的反方向上施力使得平衡车处于平衡状态。

[0034] 作为优选方案，所述平衡控制电路4包括时钟引脚SCL及数据引脚SDA，所述时钟引脚及数据引脚分别与所述主控电路2连接，所述电信号包括三轴陀螺仪及三轴加速度计各轴的电压信号。

[0035] 作为优选方案，所述姿态变化数据包括加速度数据、角速度数据和角度数据至少2
一个所组成的数据包。所述姿态变化数据可以采用IC总线传送到主控电路2的控制芯片。

[0036] 作为优选方案，包括电机驱动电路3第一电机驱动电路31、第二电机驱动电路32，所述主控电路2根据所述姿态变化数据生成第一驱动信号或第二驱动信号，所述第一驱动信号发送至第一驱动电路；第二驱动信号发送至第二驱动电路。所述电机驱动电路3输出的为直流电，输出的电压值可以为10V‑100V，参照图2所示，所述电压值为36V。

[0037] 所述主控电路2可以通过PWM(脉宽)触发控制信号发送至第一电机控制电路及第二控制电路。所述第一电机驱动电路31可以是左电机驱动电，第二电机驱动电路32可以是右电机驱动电路；左电机驱动电路和右电机驱动电路中包括MOSFET驱动芯片，用于控制电机快速启停和切换正反转。所述左电机驱动电路的LAH‑0、LAL‑0、LCH‑0、LCL‑0、LBH‑0及LBL‑0端与主控电路2的主控芯片连接；右电机驱动电路的TIM‑CHA1端与主控芯片的PA8引脚连接，RAH‑0、RAL‑0、RCH‑0、RCL‑0、RBH‑0及RBL‑0端与主控芯片引脚连接。例如所述主控电路2的主控芯片通过所述LAH‑0、LAL‑0、LCH‑0、LCL‑0、LBH‑0、LBL‑0端及RAH‑0、RAL‑0、RCH‑0、RCL‑0、RBH‑0及RBL‑0端发送给做左电机驱动电路及右电机驱动电路的信号分别为两路PWM(脉宽)触发控制信号。

[0038] 作为优选方案，为获得准确的平衡车的车体倾角值，所述主动电路2可以采用一种简易的卡尔曼滤波方法对三轴加速度计和三轴陀螺仪的输出值进行数据融合。所述卡尔曼滤波器是一种递归的估算，例如要估算K时刻车体的实际角度值，首先要根据K－1时刻的角度值预测得到K时刻的角度值，再根据K时刻的预测角度值和高斯噪声的方差，进行递归运算，直到获得最优的车体角度值。当平衡车车体产生倾斜时，主控电路2采用PID控制算法通过整合车体角度、角速度、车体速度和位置等参数值，输出PWM触发控制信号发送至第一电机驱动电路31及第二电机驱动电路32，产生相应的力矩，从而保持车体的动态平衡。

[0039] 作为优选方案，所述电源电路包括光电开关，根据光电开关的信号变化，判断所述电压电路是否启动。所述光电开会设置有光电发射器、接收器及插片。当所述插片包括第一位置及第二位置。当插片位于第一位置时，所述插片离开发射器、接收器，光线可以从发射器射入接收器。当插片位于第二位置时，所述插片穿插至发射器、接收器之间，光线被插片阻断，使得接收器接受不到光线，此时电源电路启动为控电路、电机驱动电路3、平衡控制电路4供电。

[0040] 作为优选方案，所述电机驱动电路3包括MOS管，所述驱动信号驱动MOS管执行驱动操作。所述电机驱动电路3可以根据其MOS管是否被驱动来执行相应的操作，例如第二电机的某个MOS管被驱动，可以表示可以执行前进操作、转弯操作等。

[0041] 本发明还提供一种平衡车控制系统，包括电机及以上任一实施例所述的平衡车控制装置，所述电机与所述电机驱动电路3电性连接，所述电机根据驱动电机的驱动操作执行预定姿态的操作。所述预定姿态的操作可以包括行走、转弯、保持平衡操作或停止中的至少一个操作。由于所述平衡车控制装置可以使得平衡车不管是在停止状态还是运动状态均可保持平衡，因此该平衡车控制系统，也可以具有良好的平衡性。

[0042] 综上，本发明所述的平衡车控制系统包括如上所述的平衡车控制装置，因此可以该控制系统也具有以上控制装置所具有的功能，即能控制平衡车前进、后退、左转、右转等多种姿态的切换，并且还可以使得平衡车在不同姿态下及停止状态下均能保持平衡。

[0043] 本发明还提供一种平衡车，包括如以上任一实施例所述的平衡车控制装置或者包括如以上任一实施例所述的平衡车控制系统。此外在运动状态下，利用六轴陀螺仪的四个轴来分别控制电机的四个方向，及前、后、左、右四个方向，陀螺仪前后方向控制双轮滑板车的前进后退，左右方向控制双轮滑板的向左转弯和向右转弯。

[0044] 平衡车可以采用光电开关来识别，当人的脚踩到结构件插片时插片会插入光电开关的凹槽部分阻挡光线，光电开关会输出一个2‑3V的电压，主控电路2的控制芯片MCU识别有人上车，当人下车时结构件插片会松开，光电开关输出电压为0V，主控电路2的控制芯片MCU会识别到人下车。

[0045] 平衡车控制装置或平衡车控制系统分别可以使得平衡车不管是在停止状态还是运动状态均可保持平衡，因此该平衡车可以具有较好的稳定性。

[0046] 综上，本发明所述的平衡车包括如上所述的平衡车控制装置或平衡车控制系统，因此该平衡车能根据实际需要进行前进、后退、左转、右转等多种姿态的切换，并且还可以使得平衡车在不同姿态下及停止状态下均能保持平衡。

[0047] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0048] 需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0049] 对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。