本发明涉及一种自平衡两轮车负载在线检测装 置。 背景技术

自平衡电动两轮车是一种绿色环保的个人交通 工具， 采用蓄电池供电。 自 平衡电动两轮车的重心倒置于轮轴的上方， 两个车轮平行共轴放置， 且各由一 伺服马达驱动， 图 1是驾驶者 100驾驶自平衡两轮车 200的状态示意图。 在非 控制的状态下， 该系统为一不稳定系统。 当系统正常工作时， 控制器接受车身 姿态传感器的信息， 并根据倒立摆系统的工作原理， 控制伺服电动机动作， 从 而使车身维持在一动态平衡状态。 当驾驶者 100与自平衡两轮车 200的总体重 心向前倾斜时， 车身内的内置伺服电动机会产生往前的力量， 一方面平衡人与 车往前倾倒的扭矩， 另一方面产生让车辆前进的加速以维持车体平 衡。相反地， 当驾驶者 100的重心往后倾时， 也会产生向后的力量达到平衡效果。 因此， 驾 驶者只要改变自己身体往前或往后倾， 自平衡两轮车就会根据倾斜的方向前进 或后退。

车辆的负载质量和路面状况对车辆的操控性能 影响很大， 为了检测负载状 况， 若在自平衡两轮车 200的支撑台表面设置压力传感器， 由于压力传感器与 人直接接触， 容易发生磨损。 并且， 目前市面上的自平衡两轮车均没有负载称 重功能， 所以对驾驶者的体重要求较高， 使得部分过轻或过重的人无法驾驶自 平衡两轮车。 发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种自平 衡两轮车负载在线检测装 置， 其能够以非接触的方式检测支撑台上的负载压 力， 从而避免了负载检测装 置的磨损， 延长了负载检测装置的使用寿命。

本发明所要解决的进一步的技术问题在于提供 一种自平衡两轮车负载在 线检测装置， 其能够对车上负载进行称重， 以判断运行状态。 本发明所采用的技术方案是： 一种自平衡两轮车负载在线检测装置， 该自 平衡两轮车包括支撑台， 所述的支撑台包括壳体， 其特点在于， 该自平衡两轮 车负载在线检测装置包括支撑台负载检测装置 ； 该支撑台负载检测装置包括至 少一组磁检测装置， 每组磁检测装置包括永久磁体和磁性传感器； 永久磁体通 过弹性件支承于支撑台上， 用于承受负载的压力； 磁性传感器设置在支撑台的 壳体内， 用于检测由于该永久磁体与该磁性传感器之间 的相对位移所引起的磁 场变化， 并输出检测信号。

上述的自平衡两轮车负载在线检测装置， 其中， 还包括一中央控制器， 该 中央控制器用于接收支撑台负载检测装置的磁 性传感器输出的检测信号， 并根 据该检测信号判断自平衡两轮车的支撑台的受 压状态。

本发明的优点是：

1、 采用本发明可以检测到支撑台上的负载压力。 当支撑台上施加负载后， 永久磁体下方的弹性件发生压缩变形， 永久磁体与磁性传感器之间产生相对位 移， 改变作用到磁性传感器上的磁场，从而改变磁 性传感器的输出电压的大小。 弹性件的压缩变形量 （即永久磁体与该磁性传感器之间的相对位移 量） 与负载 压力的大小成正比， 而磁性传感器的输出电压大小与永久磁体和该 磁性传感器 之间的相对位移量成反比， 使得利用磁性传感器可以检测到负载压力的大 小；

2、 本发明的磁性传感器设置在支撑台的壳体内， 无须与负载直接接触， 无磨损， 不易损坏， 具有较长的使用寿命；

3、 本发明通过对检测到的压力数据进行综合计算 ， 可实现对自平衡两轮 车是否有人、 驾驶者在车辆直行和转弯时的驾驶姿态、 车辆是否在做自由落体 或抛物线运行等进行在线检测和判断。 通过该判断， 自平衡两轮车内的中央控 制器可发出提示或进行安全操作， 从而方便了驾驶者对驾驶状态信息的掌握， 并确保了其在驾驶过程中的安全；

4、 本发明在自平衡两轮车的支撑台上设有供人乘 坐的座位， 该座位由诸如发 泡材料之类的弹性材料制成。在座位上设有座 位压力传感器， 该座位压力传感器可 采用薄膜压力传感器。当人坐上座位时，人的 重力会导致安装在发泡材料上的薄膜 压力传感器受到压力，而人离开座位时该压力 消失，薄膜压力传感器能够检测到该 压力并可以根据事先标定结果从而检测是否有 人， 同时也可以对人进行称重。 附图概述

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图 1为驾驶者驾乘自平衡两轮车的状态示意图。

图 2为根据本发明一实施例的磁检测装置的检测� �理示意图。

图 3为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置一� �施例的原理框图。

图 4为根据本发明另一实施例的磁性传感器的布� �示意图。

图 5为本发明平衡两轮车负载在线检测装置另一� �施例的原理框图。

图 6为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置又� �实施例的原理框图。

图 7是本发明的座位的一个实施例的结构示意图� �

图 8为本发明自平衡两轮车负载在线检测装置再� �实施例的原理框图。 本发明的最佳实施方式

参考图 2和图 3。根据本发明一实施例的自平衡两轮车负载� �线检测装置包括 支撑台负载检测装置， 该支撑台负载检测装置包括至少一组磁检测装 置，每组磁检 测装置包括一永久磁体 11和一磁性传感器 12。永久磁体 11通过弹性件 13支承于 自平衡两轮车的支撑台 21上， 用于承受负载的压力。支撑台 21具有一壳体， 磁性 传感器 12设置在支撑台 21的壳体内， 与永久磁体 11相对设置， 用于检测由于永 久磁体 11与磁性传感器 12之间的相对位移所引起的磁场变化， 并输出检测信号。

永久磁体 11可以是磁钢， 磁性传感器 12可以是干簧管、 电涡流式传感器、 霍尔传感器、 巨磁阻传感器或磁阻传感器等， 弹性件 13可以是弹簧等弹性元件。 在图 3所示的实施例中， 在支撑台 21上设有弹性垫 22， 弹性垫 22由弹性材料制 成， 永久磁体 11设置在弹性垫 22内， 位于永久磁体 11下方的部分弹性垫充当了 上述的弹性件 13。 当人踩上弹性垫时， 在重力作用下， 设置在支撑台壳体上表面 上的弹性垫 22发生弹性形变， 带动安装在其内部的永久磁体向下运动， 而人离开 弹性垫时， 弹性的弹性垫将恢复原形， 带动安装在其内部的永久磁体向上运动， 安 装在电路板 14上的磁性传感器 12可检测到由于永久磁体的运动所引起的磁场� �� 化， 并可以根据磁场变化程度得到弹性材料的形变 程度，从而检测是否有人登上自 平衡两轮车， 另外， 也可以对人进行称重。 优选地，本发明的自平衡两轮车负载在线检测 装置还包括一中央控制器 3， 中 央控制器 3接收支撑台负载检测装置的磁性传感器输出� �检测信号，并根据该检测 信号判断自平衡两轮车的支撑台的受压状态。

在图 3的实施例中， 中央控制器 3包括与至少一组磁检测装置一一对应的至 少一个负载压力査询单元 311，每一负载压力査询单元 311基于支撑台负载检测装 置的磁性传感器 12输出的检测信号，通过査询预先存储的表示� ��性传感器 12的输 出电压与永久磁体 11承受的压力之间的对应关系的电压 -压力曲线，得到永久磁体 承受的压力值。

为了获得车上负载的重量， 以实现将重量用于调整自平衡两轮车的控制参 数， 使车辆的操控性能运行在最优状态，在一个优 选实施方式中， 中央控制器 3还包括 一总负载压力求和单元 312和一载人状态检测单元 313。 总负载压力求和单元 312 将所有负载压力査询单元 311得到的压力值求和， 得到总负载压力∑F， 载人状态 检测单元 313将总负载压力求和单元 312得到的总负载压力∑F与一预设的载人阈 值 Gl (G1例如为 20kg)进行比较， 若∑F G1， 则判断有驾驶者登上该自平衡两 轮车。 从而， 也可以确定∑F也就是负载的重量， 中央控制器 3可以根据该重量调 整系统的控制参数， 使车辆的操控性能运行在最优状态。

由于自平衡两轮车是根据倒立摆系统的工作原 理， 控制伺服电动机动作， 从 而使车身维持在动态平衡状态。当驾驶者与车 辆的总体重心往前倾斜时，车身内的 内置伺服电动机会产生往前的力量，一方面平 衡人与车往前倾倒的扭矩， 另一方面 产生让车辆前进的加速以维持车体平衡。相反 的， 当驾驶者的重心往后倾时， 也会 产生向后的力量达到平衡效果。当自平衡两轮 车在做自由落体或抛物线运动时，其 姿态传感器可能检测到的车体姿态向前倾斜， 控制系统将控制车轮快速向前转动以 保持平衡， 同样， 若姿态传感器检测到车体姿态向后倾斜， 控制系统将控制车轮快 速向后转动以保持平衡， 由于此时车轮悬空， 即正处于空载状态， 可能导致车轮过 快的向前或向后转动， 从而在轮胎接地的瞬间使车失去平衡， 导致发生翻车事故。 另外， 当自平衡两轮车在行驶过程中， 如果遇到突发情况， 驾驶者有可能做出跳车 动作， 此时两轮车处于无人驾驶状态， 很容易造成事故。 为了实现对轮速的控制以 防止车轮着地时的冲击导致失去平衡以及实现 开机后的人在线检测，在一个优选实 施方式中， 中央控制器 3还包括一跳车和自由落体检测单元 314。 跳车和自由落体 检测单元 314用于接收载人状态检测单元 313 的检测结果和总负载压力求和单元 312的计算结果， 在载人状态检测单元 313判断有驾驶者登上该自平衡两轮车后， 当总负载压力∑F小于预设的载荷阈值 G2 (G2例如为 0.3Kg) 时开始计时， 如果 总负载压力∑F保持小于载荷阈值 G2的时间大于等于事先设定的时间阈值 T1 (T1 例如为 2秒） ， 则判断驾驶人员已离开该自平衡两轮车； 如果总负载压力∑F保持 小于载荷阈值 G2 的时间小于该时间阈值 Tl， 则判断该自平衡两轮车处于自由落 体或抛物线运行状态，从而可以实现进一步的 控制，保持或降低轮速以防止车轮着 地时的冲击导致失去平衡。

参考图 4和图 5。 在本发明的另一实施例中， 支撑台 21包括左脚支撑台 211 和右脚支撑台 212。支撑台负载检测装置包括左脚支撑台负载 检测装置和右脚支撑 台负载检测装置，左脚支撑台负载检测装置和 右脚支撑台负载检测装置均包括至少 一组所述的磁检测装置，其中，左脚支撑台负 载检测装置的磁性传感器设置在左脚 支撑台 211 的壳体内， 右脚支撑台负载检测装置的磁性传感器设置在 右脚支撑台 212的壳体内。

更具体地， 考虑到单个磁性传感器的面积比较小， 如图 4所示， 左脚支撑台 负载检测装置和右脚支撑台负载检测装置均包 括三组磁检测装置。 在左脚支撑台 211的壳体内设有三个磁性传感器 12a、 12b和 12c， 在右脚支撑台 212的壳体内设 有三个磁性传感器 12d、 12e和 12f。磁性传感器 12b和 12e设置在车辆的横向轴线 X上， 磁性传感器 12a与 12c之间、 12d与 12f之间分别关于横向轴线 X对称， 磁 性传感器 12a、 12b、 12c与磁性传感器 12d、 12e。 12f相互对称地分别位于纵向轴 线 Y的两侧。 本领域技术人员应当理解， 图 4仅仅作为示例， 磁性传感器也可采 用其他合适的数量和布置方式。

如图 5所示， 中央控制器 3包括： 与六组磁检测装置一一对应的六个负载压 力査询单元 321a〜321f、 左脚支撑台压力求和单元 324、 右脚支撑台压力求和单元 325、 总负载压力求和单元 322和载人状态检测单元 323。 每一负载压力査询单元 基于支撑台负载检测装置的磁性传感器输出的 检测信号，通过査询预先存储的表示 磁性传感器的输出电压与永久磁体承受的压力 之间的对应关系的电压 -压力曲线， 得到永久磁体承受的压力值。左脚支撑台压力 求和单元 324将与左脚支撑台负载检 测装置相对应的所有负载压力査询单元 321a〜321c所得到的压力值求和，得到 Fl。 右脚支撑台压力求和单元 325 将与右脚支撑台负载检测装置相对应的所有负 载压 力査询单元 321d〜321f所得到的压力值求和， 得到 F2。 总负载压力求和单元 322 将左脚支撑台压力求和单元得到的压力值 F1和右脚支撑台压力求和单元得到的压 力值 F2求和， 得到总负载压力∑F。 载人状态检测单元 323将总负载压力求和单 元得到的总负载压力∑F与预设的载人阈值 G1进行比较， 若∑F G1， 则判断有 驾驶者登上该自平衡两轮车。

在人上车过程中， 由于脚踩位置的不同， 以及双脚分配人体重量的不同， 有 可能造成两个支撑台之间的压力差较大， 在转弯时容易侧翻， 不利于行车安全。 为 了检测到此种情况时，在一优选实施方式中， 中央控制器还可设置一驾驶姿态检测 单元 326，其用于接收载人状态检测单元 323的检测结果，在载人状态检测单元 323 判断有驾驶者登上该自平衡两轮车时， 将 F1与 F2的差值的绝对值与预设的驾驶 姿态阈值 G3 (例如为人体体重的十分之三） 进行比较， 若 F1与 F2的差值绝对值 大于等于该驾驶姿态阈值 G3， 则判断驾驶者的驾驶姿态不正确， 从而可提醒驾驶 者合理分配两脚的体重。

当自平衡两轮车在转弯时， 由于自平衡两轮车的重心较高， 如果速度过快， 在离心力的作用下，转弯侧车轮有可能脱离地 面从而导致翻车。为了检测到车辆转 弯时的驾驶姿态， 参考图 6， 在本发明的又一实施例中， 该自平衡两轮车负载在线 检测装置还包括一转弯检测传感器 4， 该转弯传感器 4在检测到该自平衡两轮车转 弯时， 向中央控制器 3输出一转弯信号。中央控制器 3包括与至少一组磁检测装置 一一对应的至少一个负载压力査询单元、与至 少一个负载压力査询单元一一对应的 至少一个转弯力矩计算单元、左脚支撑台力矩 求和单元、右脚支撑台力矩求和单元 和转弯姿态检测单元。在图 6所示的实施方式中， 中央控制器 3包括与图 4所示的 六组磁检测装置一一对应的六个负载压力査询 单元 331a〜331f、与该六个负载压力 査询单元 331a〜331f——对应的六个转弯力矩计算单元 332a〜332f。 每一负载压 力査询单元基于支撑台负载检测装置的磁性传 感器输出的检测信号，通过査询预先 存储的表示磁性传感器的输出电压与永久磁体 承受的压力之间的对应关系的电压- 压力曲线，得到永久磁体承受的压力值。每一 转弯力矩计算单元用于接收转弯传感 器 4的转弯信号，在接收到该转弯信号时，将负� �压力査询单元的压力值乘以预先 存储的力臂值 （如图 4所示， 该力臂值为磁性传感器与纵向轴线 Y之间的垂直距 离）， 得到力矩值。左脚支撑台力矩求和单元 333将与左脚支撑台负载检测装置相 对应的所有转弯力矩计算单元 332a〜332c所得到的力矩值求和，得到 Ml。右脚支 撑台力矩求和单元 334 将与右脚支撑台负载检测装置相对应的所有转 弯力矩计算 单元 332d〜332f所得到的力矩值求和， 得到 M2。转弯姿态检测单元 335将 Ml与 M2的差值的绝对值与预设的转弯姿态阈值 G4进行比较， 若大于等于该转弯姿态 阈值 G4， 则判断转弯时驾驶者的驾驶姿态不正确， 从而可以进一步提醒驾驶者或 自动调整车速及转弯的灵敏度以确保安全驾驶 。

参考图 7至图 8。在本发明的再一个实施例中， 自平衡两轮车为坐立两用自平 衡两轮车。在自平衡两轮车的载人平台上设有 供人乘坐的座位。在该实施例中， 该 自平衡两轮车负载在线检测装置除了包括前述 的支撑台负载检测装置外，还包括座 位压力传感器 6。 较佳的是， 座位 5由诸如发泡材料之类的弹性材料制成， 座位压 力传感器 6为薄膜压力传感器。当人坐上座位时，人的� �力会导致安装在发泡材料 上的薄膜压力传感器受到压力，而人离开座位 时该压力消失，薄膜压力传感器能够 检测到该压力并可以根据事先标定结果从而检 测是否有人，同时也可以对人进行称 重。

如图 8所示， 在一个较佳实施方式中， 自平衡两轮车负载在线检测装置还包 括一中央控制器 3， 中央控制器 3包括： 与至少一组磁检测装置一一对应的至少一 个负载压力査询单元 341、 座位压力信号接收单元 342、 支撑台总负载压力求和单 元 343以及载人状态和驾驶状态检测单元 344。每一负载压力査询单元 341基于支 撑台负载检测装置的磁性传感器输出的检测信 号，通过査询预先存储的表示磁性传 感器的输出电压与永久磁体承受的压力之间的 对应关系的电压 -压力曲线， 得到永 久磁体承受的压力值;座位压力信号接收单元 342用于接收座位压力传感器检测到 的座位负载压力∑F2。 支撑台总负载压力求和单元 343 将所有负载压力査询单元 得到的压力值求和， 得到支撑台的总负载压力∑F1。 载人状态和驾驶状态检测单 元 ₃₄₄ 对从支撑台总负载压力求和单元 343接收的支撑台总负载压力∑F1与从座 位压力信号接收单元 342接收的座位负载压力∑F2求和， 得到总负载压力∑F， 并 将该总负载压力∑F与预设的载人阈值 G1进行比较， 若∑F G1， 则判断有驾驶 者登上该自平衡两轮车； 在判断有驾驶者登上该自平衡两轮车后， 将∑F2 与 G1 进行比较， 若∑F2<G1， 则判断驾驶者采取站立姿态， 若∑F2 G1， 则判断驾驶 者采取坐姿。 工业应用性

本发明能够以非接触的方式检测支撑台上的负 载压力， 从而避免了负载检 测装置的磨损， 延长了负载检测装置的使用寿命。