CN100361862C

CN100361862C - 自平衡两轮电动车

Info

Publication number: CN100361862C
Application number: CNB021386528A
Authority: CN
Inventors: 张培仁; 屠运武; 张先舟; 张培强; 王久才; 王桦; 赖俊伟; 吴晓东
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: CN1502513A

Abstract

本发明是一种自平衡两轮电动车。它涉及电动车，尤其是两轮左右分布的电动车。本发明包括车体、车轮和电驱动系统等，带有电机的车轮安装在车体两侧，电源、控制电路、驱动电路以及传感器和控制开关等安装在车体上，车轮与车体之间为转轴连接，速度传感器和角度传感器将车轮与车体的转角及倾角信息传输到控制电路中，利用其中的软件计算控制量，从而控制车轮与车体的运动及平衡状态。本发明是利用倒立摆控制原理来实现车体的自动平衡，从而简化了车体的结构。在运行过程中自动保持车体平衡，灵活性强且结构简单、操作容易，可作为大型广场或娱乐场所、纺织车间、高尔夫球场等工作人员的代步工具；也可作为电动交通工具。

Description

自平衡两轮电动车

技术领域

本发明涉及电动车，尤其是两轮左右分布的电动车。

背景技术

对于步行街、广场、游乐场和大型会场等场合，汽车无法通行，步行又令人疲劳。需要有一种可以为人代步、运行灵活、控制方便的特殊车辆。

传统的人力自行车或电动自行车虽然可以为人代步，但是由于两轮前后分布，它存在以下的缺点：

①车辆的转弯半径大，无法在小空间范围灵活运动；②完全依靠驾驶者的身体来人工控制车体的平衡；③无法倒车。

中国专利申请(申请号：02114794.9)提出的发明专利《新型电动车》是一种两轮左右分布的电动车，它利用了高速陀螺角动量守恒原理来保持两轮车的平衡，但它存在以下缺陷：

①在有外界干扰(包括人为改变车体运动状态)的情况下，角动量方向会发生改变，影响其稳定工作；②平衡转盘体积很大且高速旋转(10000转/分)，因而会消耗大量电能，电池使用时间很短。

发明内容

本发明的目的是提供一种在运行过程中自动保持车体平衡，灵活性强且结构简单、操作容易的自平衡两轮电动车。

本发明包括车体、车轮和电驱动系统等，带有电机的车轮安装在车体两侧，电源、控制电路、驱动电路以及传感器和控制开关等安装在车体上，其特征在于：所述车轮与车体之间为转轴连接，所述传感器为速度传感器和角度传感器，速度传感器安装在车轮与车体的连接处，角度传感器安装在车体上，所述控制电路中存储或固化了相应的用于控制平衡的软件。

所述车体上的人体支撑件为杆状把手，控制开关安装在把手的手柄或立杆上；或者，人体支撑件为座椅，控制开关安装在座椅的扶手或脚踏上。

也就是说，本发明是利用软件来实现车体的自动平衡，从而简化了车体的结构。

本发明的结构仅包括车体、车轮和电驱动系统等。其车轮采用自驱动车轮，即每个车轮中都带有驱动用的电机、各自单独驱动。车轮安装在车体两侧，形成两轮左右分布结构，以减小车辆的转弯半径。车轮与车体之间为转轴连接，使车体可以绕车轮的转轴形成水平摆动。车体可以只有车身，或者包括车身和人体支撑件等，应有足够的承载强度。车身可以是盒式，以便将电源以及控制电路、驱动电路等置于其中；也可以是板式或其它合适的形式，这时电源以及控制电路、驱动电路等要根据其具体情况来放置。车轮通常安装在车身上，人体支撑件也安装在车身上。人体支撑件为杆状把手或座椅(或+其它合适的形式)、可以给驾驶者以把持或依靠，其与车身之间应为固定连接。控制开关通常设置在人体支撑件上，以便于操作。传感器通常设置在车体上，以便于直接感受车体的运行及平衡状况。控制电路的核心器件可以采用微处理器、单片机等，驱动电路则采用适当的形式以使电机能够正转、也能反转。

本发明所采用的传感器包括速度传感器和角度传感器，通过它们可以测量出车体的运行状况及平衡状况、包括两轮的转角和车体的倾角的信息，反馈给控制电路，计算出两轮和车体的角速度及角加速度、从而计算出两轮所需的电机转矩，实现对车体的控制。

本发明所采用的控制方程为：

[\begin{matrix} \frac{m}{4} R^{2} + m_{l} R^{2} + J_{l} + \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{m}{4} R^{2} - \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{1}{2} mRL \\ \frac{m}{4} R^{2} - \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{m}{4} R^{2} + m_{r} R^{2} + J_{r} + \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{1}{2} mRL \\ \frac{1}{2} mRL & \frac{1}{2} mRL & J_{θ} + {mL}^{2} \end{matrix}] \{\begin{matrix} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{l} \\ {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{r} \\ \overset{\cdot \cdot}{θ} \end{matrix}\} - [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & mgL \end{matrix}] \{\begin{matrix} θ_{l} \\ θ_{r} \\ θ \end{matrix}\} = \{\begin{matrix} M_{l} \\ M_{r} \\ - M_{l} - M_{r} \end{matrix}\}

其中，M_l为左车轮的电机转矩，M_r为右车轮的电机转矩：θ_l为左车轮的转角，θ_r为右车轮的转角，θ为车体相对于水平面的倾角；J_l、m_l和J_r、m_r分别为左、右车轮的质量和绕质心的转动惯量，R为车轮半径，m为车体及驾驶者的质量之和(驾驶者的质量可取典型量，如70kg)，其质心到转轴的距离为L，其绕质心在θ角上的转动惯量为J₀。

和则分别为左、右车轮和车体的角加速度，它们是通过θ_l、θ_r和θ计算而得。

当车体不运动也不倾斜时，角度传感器得到车体倾角信号(此时几乎为零)并送入控制电路，控制电路根据此信号并综合左、右车轮速度传感器的信号(此时也几乎为零)算出两轮所需的电机力矩控制量，将该控制量送入驱动电路中，经过功率放大等处理后传送到驱动车轮的电机中，保持车体原地平衡。当需要车体前进时，驾驶者使车体稍微向前倾斜，角度传感器得到倾角信号送入控制电路，控制电路根据此信号并综合左、右车轮速度传感器的转角信号算出两轮所需的电机力矩控制量，将该控制量送入驱动电路中，经过功率放大等处理后传送到驱动车轮的电机中，控制车轮向前转动并始终保持车体平衡。倾角越大，加速越快。当需要减速、刹车或后退时，驾驶者使车体稍微向后倾斜，控制电路同样可以根据传感器信号算出所需反力矩、从而控制车轮向后转动并始终保持车体平衡。倾角越大，反向加速越快。需要转弯时，驾驶者通过控制开关给出一个信号，控制电路根据计算得出左、右轮的不同力矩大小，从而控制车轮分别以不同的速度或方向转动并始终保持车体平衡，由此可以控制车体转动到所需方向。

综上所述，本发明与已有的电动车比较具有以下优点：

①由于两轮为左右分布，使车辆的转弯半径为零，可以在小空间范围灵活运动；

②通过软件计算输出控制量，由控制电路分别控制两侧车轮，不仅使车体能够自动保持平衡，而且不需要机械构造的刹车、倒车、平衡系统；使结构简单，操作方便。

③具有广泛的用途。如：可作为大型广场或娱乐场所等步行人员、大范围场地维持秩序的有关人员、纺织车间操作人员、高尔夫球场工作人员等的代步工具；也可应用在人口密集的城市及地区的电动交通工具。

附图说明

图1是本发明的外形结构示意图(其中人体支撑件为杆状把手)。

图2是本发明的外形结构示意图(其中人体支撑件为座椅)。

图3是本发明的内部结构示意图。

图4、图5是本发明的速度传感器结构示意图(图4为正视图，图5为侧视图)。

图6是本发明的用于控制平衡的软件流程图。

图7是本发明的电路框图。

图8是本发明的控制电路的线路图。

图9是本发明的驱动电路的线路图。

具体实施方案

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述(但并不仅限于此实施例)：

本发明实施例的外形结构如图1或2所示。车身由盖板和底座构成，用螺钉2将盖板1固定在底座3上而成。左、右车轮6为永磁直流有刷无齿电动轮，电机置于轮毂中，其转轴通过螺母7固定在车体底座3上。速度传感器由光电传感器4和测量盘5构成，读取固定在车轮6上的测量盘5的转角信号并传输到控制电路中，从而计算车轮的转动角度、角速度和角加速度(测量盘5为带有格栅的码盘，其固定在车轮上，可以保证与车轮以相同的速度转动。光电传感器4的一端发出红外光并由另一端接收。如果码盘5在其中间转动，格栅将断续切断光线的传播，光电传感器接收由此得到的脉冲信号)。速度传感器也可以采用测速电机的形式。人体支撑件为杆状把手9或座椅18，使用固定螺栓8安装在盖板1上并可以调节其倾斜角度以使驾驶者感觉舒适。控制开关包括电源开关及转向开关，其中电源开关10和转向开关11均可采用点动式、分别安装在杆状把手9上方的手柄处或座椅18的扶手处(也可以根据需要设置合适的脚踏，将电源开关10和转向开关11安装在脚踏上)；或者，转向开关11采用旋转电位计式、安装在杆状把手9的立杆中部。

本发明的内部结构见图3。打开盖板1后，可以看见固定在底座3内的内部元件。控制电路15中的核心控制元件采用微处理器16。角度传感器14为水平仪传感器或陀螺仪传感器，安装在车体上的任意位置均可(图中所示安装在控制电路板上)，当车体发生倾斜时即输出一个相应的电压信号到控制电路中，从而计算车体的倾斜角度及其角速度和角加速度。小车的全部能源由作为电源的铅蓄电池12提供。驱动电路13中采用光电隔离和桥式驱动方式。控制电路与驱动电路之间的连接关系如图7所示，两者的具体线路分别见图8、9。

用于控制平衡的软件固化在微处理器的片外程序存储器中(这是由于所选用的微处理器型号其本身的内部存储空间有限所致)，其执行程序框图见图6。

使用时，打开电源开关10，系统启动，微处理器16开始工作。当车体不运动也不倾斜时，角度传感器14得到车体倾斜角度信号(此时几乎为零)并送入微处理器16，由其中的软件根据此信号并综合左、右车轮速度传感器4的信号(此时也几乎为零)算出所需力矩，保持车体原地平衡。需要前进时，驾驶者向前倾斜车体，角度传感器14得到车体倾斜角度信号并送入微处理器16，由其中的软件根据此信号并综合左、右车轮速度传感器4的信号算出所需力矩，控制车轮6转动前进并始终保持车体平衡。倾角越大，加速越快；当倾角达到一定角度(视车体及驾驶者质量不同而略有差别)后，加速停止，整车匀速前进。当需要减速、刹车或后退时，驾驶者向后倾斜车体，微处理器16同样可以根据各传感器的信号综合计算出所需反力矩的大小，控制车轮6产生合适的反力矩，使整车减速、刹车或后退。倾角越大，反向加速越快；当倾角达到一定角度(视车体及驾驶者质量不同而略有差别)后，加速停止，整车匀速后退。需要转弯时，驾驶者通过转向开关11(可以点动或转动)给出一个信号，微处理器根据信号特征并综合其它传感器信号计算得出左、右轮所需的不同力矩大小，利用左、右轮的转速差，可以控制车体转动到所需方向。由于控制方程中使用了三维动力学的倒立摆控制原理，在静止、前进、后退或减速、刹车以及转弯等各种运行状态下，整车能始终保持平衡稳定的状态。

本发明的主要参数如下：车轮使用直径为16英寸的永磁直流有刷无齿电动轮，车身基本尺寸为520mm×286mm×110mm(长×宽×高)。使用两节12伏铝蓄电池串联供电，微处理器采用DSP，型号为TMS320LF2407。角度传感器为中科院智能所生产的KY2000型水平仪，光电传感器的型号为MOCH21A。整车质量约为25公斤。一般人员经10分钟左右训练后可以驾驶其任意行走。车体前倾对车子自动加速，后倾时自动减速直至后退。通过控制开关，可原地转弯任意角度。时速可达10公里每小时。连续行驶里程约30公里。

Claims

1.一种自平衡两轮电动车，包括车体、车轮和电驱动系统，带有电机的车轮安装在车体两侧，电源、控制电路、驱动电路以及传感器和控制开关安装在车体上，其特征在于：所述车轮(6)与车体之间为转轴连接，所述传感器为速度传感器(4)和角度传感器(14)，速度传感器安装在车轮与车体的连接处，角度传感器安装在车体上，所述控制电路(15)中存储或固化了相应的用于控制平衡的软件，软件中所采用的控制方程为：

[\begin{matrix} \frac{m}{4} R^{2} + m_{l} R^{2} + J_{l} + \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{m}{4} R^{2} - \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{1}{2} mRL \\ \frac{m}{4} R^{2} - \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{m}{4} R^{2} + m_{r} R^{2} + J_{r} + \frac{J_{φ} R^{2}}{f^{2}} & \frac{1}{2} mRL \\ \frac{1}{2} mRL & \frac{1}{2} mRL & J_{θ} + m L^{2} \end{matrix}] \{\begin{matrix} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{l} \\ {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{r} \\ \overset{\cdot \cdot}{θ} \end{matrix}\} - [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & mgL \end{matrix}] \{\begin{matrix} θ_{l} \\ θ_{r} \\ θ \end{matrix}\} = \{\begin{matrix} M_{l} \\ M_{r} \\ - M_{l} - M_{r} \end{matrix}\}

其中，M_l为左车轮的电机转矩，M_r为右车轮的电机转矩；θ_l为左车轮的转角，θ_r为右车轮的转角，θ为车体相对于水平面的倾角；J_l、m_l和J_r、m_r分别为左、右车轮的绕质心的转动惯量和质量，R为车轮半径，m为车体及驾驶者的质量之和，所述车体及驾驶者的质心到转轴的距离为L，所述车体及驾驶者绕质心在θ角上的转动惯量为J_θ；

和

则分别为左、右车轮和车体的角加速度，它们是通过θ_l、θ_r和θ计算而得。

2.如权利要求1所述的自平衡两轮电动车，其特征在于：所述车体上的人体支撑件为杆状把手(9)，控制开关安装在把手的手柄或立杆上。

3.如权利要求1所述的自平衡两轮电动车，其特征在于：所述车体上的人体支撑件为座椅(18)，控制开关安装在座椅的扶手或脚踏上。