CN100445159C - 立坐两用式自平衡两轮车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立坐两用自平衡两轮车，其包括有：两个分别独立受控于计算机微处理系统控制并且横向布置而不同轴连接的轮子，车轮被横向固定在一个绕车轴有转动自由度的载人踏板上；一个用于控制所述轮子工作的操纵控制计算机系统，它包括有重力传感器，倾角传感器，姿态传感器组成的、用来控制车体的平衡模块，车轮速度传感器和左右动力驱动模块，控制环路，反馈环路，中央控制单元CPU，功率放大器，电源；所述的载人踏板上固定有倾角传感器；一个可手动把握龙头执行车辆转弯的转向开关；一个固定在转向龙头上的操作车辆行驶的人机界面控制屏；本发明解决了传统自平衡两轮车因站立驾驶疲劳不适合远距离行驶及健康人和身残体弱者两者兼用的技术上的问题。

Description

立坐两用式自平衡两轮车

技术领域

本发明涉及一种交通工具，更具体地说是一种由人驾驶的智能化电脑控制的载人两轮交通工具，其两个车轮是电动的并且是水平横向布置的。

背景技术

最早的相关研究在1987年，由东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出类似的设计思想，并在1996年日本通过了相似的专利申请。

1995年美国著名发明家Dean Kamen开始研制segway，直到2001年12月这项新发明才被公布出来。2003年3月正式在美国市场上市，被认为是一种极好的健身工具和未来的汽车替代品。已应用于邮政系统、警察局、大商场、公园、仓库、办公室、企业、大学和政府机构

现有的自平衡两轮车其控制系统相当昂贵复杂，而且由于只能站立行驶，不适合身残体弱者使用。因此，设计出一种能用坐立两种姿态进行驾驶操作的控制系统相对来说更加简单而成本更低的智能化电脑控制自平衡两轮车是一种社会的需要，然而这种车辆目前还没有。现有技术中的自平衡两轮车还缺少夜间使用的照明工具。立坐两用式自平衡两轮车是一种两轮左右平行布置的单人电动车，像传统的倒立摆一样，本身是一个自然不稳定体，必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。作为一个被控对象，它又相当复杂，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性的系统。行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性。推出一种残障者在有人陪同下可自由外出“行走”的代步工具是社会的需要。实现残障人能上下楼梯那更是令人鼓舞的大好事。

发明内容

本发明的目的是要推出一种立坐两用自平衡两轮车，它有可折叠的座椅，有可夜间行驶的照明设备，有防倾倒机构和简明扼要的控制系统。本发明解决了传统自平衡两轮车因站立驾驶疲劳不适合远距离行驶及健康人和身残体弱者两者兼用的技术上的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种立坐两用自平衡两轮车，它包括有：

1)两个分别独立受控于操纵控制计算机系统控制并且横向布置而不同轴连接的轮子，所述的轮子通过减速齿轮系与各自属于自己的伺服电机相连接，所述的轮子被横向固定在一个绕车轴有转动自由度的载人踏板上，轮子与所述的载人踏板相互固定连接成为一个整体；

2)一个用于控制所述轮子工作的操纵控制计算机系统，所述的操纵控制计算机系统包括有具有重力传感器和姿态传感器的用来组成控制车体的平衡模块，车轮转速传感器，左右动力驱动模块，控制环路，反馈环路，中央控制单元CPU，功率放大器，电源；

3)所述的姿态传感器包括倾角传感器，所述的倾角传感器固定在载人踏板上，倾角传感器反映的是以铅垂线为基准的载人踏板或立杆相对于铅垂线所成的动态变化的几何夹角；

4)一个可手动把握龙头执行车辆转弯的转向开关；

5)一个固定在转向龙头上的操作车辆行驶的人机界面控制屏；

6)一个与载人踏板相连接的采用可锁定铰接的并且顶端带有可操纵转向的龙头的立杆；所述的立杆上配置有供人乘坐的可折叠收拢的并按预定位置锁定的座椅；

7)所述立杆上装有可折叠收起和展开使用的座椅，座椅下有一根撑杆，所述撑杆的上下两端均有旋转角度可锁定的铰接点，所述立杆除了在头尾两端有旋转角度可锁定的铰接点以外，所述立杆头尾两端之间的位置上还有一个与所述座椅的撑杆相互铰接的连接点，所述立杆通过立杆尾端的一个铰支点与载人踏板形成可锁定的铰接，铰支点是通过与载人踏板相互垂直固定的两块壳板及相应的横销构成，在每一块壳板上开有供横销滑动的弧形槽。

所述载人踏板的左右两侧有用于接纳左、右两个轮子的轮轴的轮壳，载人踏板通过悬挂装置与两个轮子相互连接，所述左、右两个轮子的驱动装置包含有分别属于自己的一个伺服电机，所述伺服电机通过与伺服电机同轴的小齿轮将动力传动到宝塔齿轮，最后再由宝塔齿轮将动力传动到固定在车轮内圈上的一个大直径的内齿轮上。

所述的载人踏板上布置有可伸缩抽拉并定位固定的插入式电池板以及电脑控制系统和各类传感器。这样载人踏板的空间得以合理利用。

所述的车体上配有供乘坐者遮风挡雨的顶蓬。有固定于龙头上的两根前撑杆和固定于座椅上的两根后撑杆为顶篷提供支撑。立杆可以有上下两段通过其中间的铰接点连接一体。

所述的转向开关是通过带车把的龙头转动来实现开关动作进行控制和操作车辆的，转向开关它包含有霍尔传感元件和相互作用的磁块，其信号输出的强度与龙头的转动角速度正比率。所述的转向开关是安装在立杆上或立杆与龙头过渡的连接处。所述的转向开关也可以安装在龙头的手柄上。在车体的龙头转向开关上设有二个霍尔元件，分别控制二只车轮的转速，通过车身龙头的转动带动安装在龙头上磁体的转动，电子转向控制开关能把得到不同的转向(速度和加速度)信号送入操纵控制计算机，操纵控制计算机将接收到的电子转向控制开关传感到的信号进行运算后输出控制信号，在操纵控制计算机的控制下车体二只轮子分别能作出相同和不同的转速的转动，作出直行、左右、大小转弯、快速度转向和慢速度转弯等动作。电子转向控制开关是一种基于霍尔效应的磁传感器——霍尔线性器件，这种材料它在和磁性材料侧移通过和接近时，它将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，在本机动车中转变成电量来被操纵控制计算机进行检测和控制。电子转向控制开关，在转向时输出电压与龙头的转动角速度成线性的变化，其输出电量和加在霍尔元件上的磁感强度成比例，转向的时间短，它的输出电压在瞬间的电量变化很大，转向开关磁感强度过渡时间长，转向开关输出的电量至额定的电压经历有一个变化的过程，电量的相对变化时间就长，采用这种材料的开关过去常应用于各种电子控制设备上。操纵控制计算机接收到的电子转向控制开关的信号进行运算后输出控制信号，能模拟人的力度和速度控制机动车进行机械的转向动作。

本发明的立坐两用自平衡两轮车作为一个轮子的X-Y-Z三个方向的行动矢量都受到动态控制的。X是与地面相平行的坐标，Y是与铅垂线相一致的坐标，X-Y构成车轮的平面坐标，Z是与车轮平面相垂直正交的按右手定则的以四个手指的方向代表车轮的旋转方向，以大拇指的方向代表轴旋转矢量的方向的坐标。

操纵和控制所述的两个轮子工作的是两个完全对称的驱动模块和控制模块。

为了安全起见在载人踏板上安装有防倾倒装置，它是一个与所述载人踏板相固接的弹性伸缩杆，与载人踏板斜交布置，伸缩杆末端带有滚轮。在需要时它弹出撑地为车辆提供自稳定的停车功能，不会发生倾倒。在载人踏板上安装有防倾倒装置，它们分别被布置在载人踏板的前方和/或后方。它是一个与所述载人踏板相斜交连接的总成体，它包含有一个一端封闭另一端敞口的外筒体，其内可伸缩地包含有伸缩杆总成。伸缩杆总成包含有内筒，它是两端敞口的筒体，筒体内有弹簧，弹簧一端与外筒体的底面相抵，另一端与固定有滚轮的堵头相抵，外筒的柱面和内筒的柱面上都有一个定位孔，当两个定位孔对准位置时有一个锁销穿过这两个定位孔，此时弹簧被压缩，伸缩杆处于被收缩状态，伸缩杆末端带有用于搁地的滚轮此时被收起。锁销的插拔动作是受电磁阀控制的。当电磁阀动作时锁销被拔出，在弹簧的作用下滚轮被弹出着地。滚轮是通过销子和堵头支架被固定的，防倾翻的安全装置在操纵控制计算机系统作用下当机动车电池电力不足和意外情况时能即时驱动电磁锁定开关释放机构弹出的弹性伸缩杆前小轮和后小轮，防止一些特发事故以保证驾驶者的安全。

绕车轴有转动自由度的载人踏板它通过悬挂装置与车轮相互连接固定。其平面所处的位置低于二个行动车轮轴心的中心线高度。这样驾驶的稳定性就大。

立杆和载人踏板连接采用二种角度可调位置，车体在立式和坐式驾驶时它能够通过控制载人踏板连接处的二个铰接锁定孔来改变车体平衡的中心点。因为在这两种不同的驾驶模式中人加车体所构成的系统的重心位置是不一样的，通过调节可以使两者的中心位置趋于一致。立杆可以是单一的一根直杆也可以有上下两段通过其中间的铰接点连接成一体。

当道路状况十分良好时驾驶者也可以通过遥控器面板的操作键来进行、转弯等按键来进行操作，操纵控制计算机结合检测到的车体的状态位置算出控制参数调节电动装置的电池板的位置直至需要的力矩平衡位置。当按下遥控器“前进”键时，电池板会向前伸出，车体为了达到平衡，车轮会立即向前行进以期达到平衡，一直下去，车体就一直前进，以达到自动“巡航”目的。但当坐式载人转弯时，还是需要由人体姿态转向控制手柄来进行，以确保安全。

为了实现其多功能的要求，让车辆具备爬楼的运输功能，左右两个轮子的周缘分别布置有相对于轮子中心呈辐射状布置的多个周轮或爬楼脚。爬楼脚可以是圆形的轮子，也可以是辐射方向布置的块形结构物。为了实现夜间行驶的需要立杆的正前方设有照明灯，采用车辆自身的电池供电。在车辆被用作物体搬运工具时可以进行远隔操作控制机动车各种姿态和动作的遥控器。在身残体弱者有人伴行时就这样使用，哪怕是坐行者没有任何操控能力也能完成行驶。

在配备的各种传感器控制下机动车有一套复杂的“直觉软件”。传感器时刻检测车体状态，并将所收集的信号经操纵控制计算机处理运算后获得控制信号，功率放大后传送到电机，最后控制车轮的转动，从而根据指令不断调节车轮行进的方向和运动指令，在获得车辆自体的平衡之后，按操作指令进行前后或转弯的行驶。比如要实现零半径转弯，就让一个轮子和另一个轮子维持各自相反方向的转动。如果控制模快给出的执行命令是让一个轮子信号为0，另一个轮子的信号为可转动，则车辆就维持以一个车轮对地的接触点为转动中心、以两轮的间距为半径正转，而另一个轮子倒转。如要实现有半径的转动，就让两个轮子同时进行同方向的转动，但两个轮子的转速不一，一个转得快，另一个转得慢。前进和倒退是直线匀速或直线加速运动，只不过是电机的转向相反。此时发生倾角变化的物理量有角速度以及姿态变化终止时倾角角度的大小，通过倾角传感器将这样的传感量输入到操纵控制计算机，经过运算后通过控制环路，再经功率放大后信号传输给轮子的左右驱动模块，控制电机和车轮的转向和转速。所用的电机是采用伺服电机。

该立坐两用式自平衡两轮机动车除了常规的本机操作控制模式外，在有些特殊场合或用于搬运时还可通过机动车面板上的按键开关切换到遥控操作模式上来，该模式亦可分为有线遥控和无线遥控二种，有线遥控的是将该同轴两轮机动车上的面板控制键及人相对于车体的姿态的功能切换到用一根电缆线连接的遥控器上，由使用者在遥控器按键上进行操作，无线遥控是通过红外线将上述有线遥控功能通过发射接收到同轴两轮机动车进行连接来增加控制距离和灵活性，以适应各种场合的需要。

当装载的物品不足以达到车体正常平衡时，操纵控制计算机结合检测到的车体的状态位置算出控制参数调节电池板的位置直至需要的平衡。当按下遥控器前进键时，电池板会向前伸出，车体为了达到平衡，车轮会立即向前进以期达到平衡，一直下去，车体就一直“前进”。反之则会后退。当需要转弯时，按下遥控器上的向左转或向右转的按键，操纵控制计算机会根据按住的时间来控制二轮不同的速度来进行“转弯”，直至按键解除。以适应各种场合的需要。但需要注意的是，当采用遥控操作时，机动车的速度被自动限制在小于5公里，以保证安全。

在工作中载人踏板也就是整个车架相对与地面或其铅垂线的变化角速度以及动态的倾角角度是需要被传感的和计算的。有既定的数学方程式预制在操纵控制计算机里，操纵控制计算机通过控制环路和反馈环路向车辆的平衡机构和动力驱动机构发出指令，保证车辆实现平衡和人们所要的行驶状态。车体相对于铅垂线动态变化的角度单位量和角速度作为输出脉冲的量化信号，而向前或向后的方向信号用于控制车轮驱动电机的转向控制，这种信号可以通过驾驶者人体的倾斜来实现，也可以通过操作龙头上的相关按钮来实现。通过关于时间的微分和积分可以获得与车体相对于铅垂线的运动角位移成正比的车子的运动速度(也就是左右轮子的转动角速度)信号。车量的速度传感器，反馈回路和控制回路可以保证车辆达到这样的速度以求实现平衡。方向信号使轮子的电机实现正确的转动方向，如正转或倒转。

当有人上了车，欲驾驶它行驶时，当驾驶者登上载人踏板时重力传感器就给出信号，整个系统开始启动工作，此时，人体和车体合成的重心相对于车轮与地面的接触点所形成的偏心矩成为一个信号，为了达到平衡，操纵控制会算出车轮应该具有的方向信号和角速度以及角加速度的量值信号，产生基本的平衡扭矩命令，以获得一个反制的力矩，然后车辆快速前进或后退，以求达到车辆的平衡。所以，驾驶人员上了车以后前后轻微晃动几下之后，载人踏板就得以调节，很快会到达一种平衡状态，并维持住这种状态。接下去就是操作车辆的运行。

本发明提供两种驾驶方式，一种是站立式驾驶，还有一种是坐式驾驶。本发明的车辆在其左右两轮装上环绕车轴中心的周轮或爬楼轮脚时，它可以用作会爬楼的运载工具。它也可以巡航驾驶或遥控驾驶。这样的多种工作模式都可以预先设定的。有多种操作模式是指姿态操作、手动操作(向前、向后和零半径转变)和(定速巡航模式)操作、有线或无线遥控操作(用于搬运或特殊用途)、楼梯助力模式。它是无污染、噪音小和骑行灵活等诸多优点。本发明是一种极好的交通代步和轻便运输工具。

为了安全起见，最好这种车辆它应该有速度限制器来限制车辆的行驶。在行进时因为要克服对地面的摩擦，车辆在相对于地面作匀速行驶时车体和人需要有一定的向前倾斜量方能维持行驶，车辆行驶时具有不大于20km/h速度。车体和人体倾斜的方向就是车辆行驶的方向。任何时候车辆想要向前的加速行驶，就必须有车量系统的向前倾斜。整个系统向后倾斜就会使车辆制动。

其工作过程如下：

立式时：

将控制立杆车体载人踏板连接处调整到“立式驾驶”位置，并锁紧紧固开关。平时驾驶者可作方便的站立驾驶，当需要车体前进时，驾驶者手握控制立杆上的方向手柄身体向前倾斜，传感器得到倾斜角度信号送入操纵控制计算机，操纵控制计算机将人相对车体的姿态进行测量，算出控制参数到平衡操纵控制计算机系统驱动车轮前进，以便车体保持平衡。驾驶者向后倾斜，传感器得到倾斜角度信号送入操纵控制计算机启动相反的程序，车轮后退使车体保持平衡。

驾驶者要求车体前进只需向前倾斜，操纵控制计算机会综合左右车轮转速传感器及加速度传感器和重量传感器的信号算出所需力矩，控制车轮转动前进并始终保持车体平衡。倾角越大，加速越快。需要刹车或后退时，驾驶者向后倾斜，操纵控制计算机同样可以根据传感器信号算出所需力矩控制车体运动状态。需要转弯时，驾驶者通过手柄的转向开关控制立杆上把手转向，给出一个控制信号，操纵控制计算机根据计算得出左右轮的不同力矩大小，可以控制车体上的两只轮子作不同转速和方向的动作，达到转动到所需角度和安全的前进后退速度。

坐式时：

当远距离行驶时为了减轻身体的疲劳，以及当本发明车辆供残疾或体弱的病者使用时这时可作坐式驾驶，先将控制立杆车体载人踏板连接处调整到“坐式驾驶”位置放下控制立杆下折叠(放下和收起)的座椅，抽出可伸缩的电池板，按下面板上的“坐式”按钮，车体在空载时呈自平衡状态，当人坐上加载到车体同时，平衡传感器立即检测到车体的状态，由操纵控制计算机根据车体的状态计算出平衡所需要的力矩，驱动电机产生平衡力矩，转动和倾斜载人踏板和地面的相应位置，从而定位到保持车体平衡所需要的位置。

当需要车体前进时，驾驶者通过把手的手柄把身体向前拉，操纵控制计算机将人相对车体的姿态进行测量，算出控制参数到平衡操纵控制计算机系统驱动车轮前进并保持车体平衡。需要停止时，驾驶者握住把手的手柄将身体稍微推向后倾斜(控制立杆和座椅连接处装有缓冲弹簧，当人在推、拉把手时能改变车体的平衡，以使车体前进、后退)，操纵控制计算机结合传感器检测到车体的状态立即给出一个信号，将人相对车体的姿态进行测量，算出控制参数到平衡操纵控制计算机系统驱动车轮停下来并保持车体平衡，直至车体停止。

需要紧急刹车时，驾驶者握住把手的手柄将身体用力快速向后倾斜，传感器立即将车全姿态信号传给操纵控制计算机，操纵控制计算机结合检测到的车体的状态位置算出控制参数，立即给出一个控制信号，控制动力驱动模块组件使车轮停下来并保持车体平衡，从而达到快速止动的目的。需要转弯时，驾驶者通过手柄的转向开关控制车体的转向，给出一个控制信号，操纵控制计算机根据转向开关的力度和速度计算出左右轮转弯所需的不同力矩和速度，输出控制信号驱动左右车轮，控制车体转动到所需安全的速度和角度。车体结构主要有操纵控制计算机组件，平衡模块组件、电池及动力驱动模块组件，电动机及行动减速齿轮和车轮组件，和控制立杆组成。控制立杆和载人踏板之间的连接分可调的“立式”和“坐式”二种角度锁定紧固为一体。

载人踏板上装有包括重力传感器，倾角传感器，姿态传感器等共同组成控制车体的平衡模块，车轮转速传感器组件，电动机及行动减速齿轮和车轮组件、电池及动力模块驱动组件等。车体载人踏板平台下面装有二台小型大功率直流伺服电机，减速齿轮组件、左右车轮和装有防倾翻的安全机构。楼梯助力模式是在上楼梯时按下面板上的楼梯助力模式，这时操纵控制计算机发出指令，允许车身在向前倾斜的时候双轮会慢慢向前转动，人在上面将机动车的车把手向上拖拉，车轮慢速向前转动，利用可以是安装在圆形的轮子辐射方向布置的块形结构物，在某些较低的阶梯也可以是橡胶轮胎上粗纹的摩擦力将整个车身在楼梯上向上滚动上楼，以达到上楼梯的助力作用，使机动车能顺利地被人拖拉上楼。

为了防止一些特发事故，立坐两用式自平衡两轮车安装有防倾翻的安全机构，这是在车体载人踏板在前下方和后下方各安装有一个防倾翻的小轮子，平时该机构为收缩状态，当车体的倾斜一方超过安全范围时，操纵控制计算机会根据车体平衡传感器收到的传感器信号立即输出控制信号，驱动踏板下方的前后小轮子支撑杆上的电磁锁定开关释放机构，支撑杆上的小轮子在弹簧的作用下自动弹出与地面接触，支撑整个车身使其不至于倾翻，以保证人身和物体的安全。

常规的人体姿态转向控制手柄和转向控制开关，在车体的手柄转向上设有一个电子转向开关，通过手柄的转动，电子开关能把得到不同的转向(速度和力度)信号送入操纵控制计算机，操纵控制计算机接收到的电子开关和传感器的信号进行运算后输出控制信号，在操纵控制计算机的控制下车体二只轮子分别能做前进、后退、左右转等各种动作。

为避风遮雨本发明布置有顶蓬。这是一个用防水材料做的可在使用时临时搭建的顶篷，前后各二根支撑杆作为支柱支撑整个顶篷，支撑杆和顶篷是可方便拆卸，平时可收起来贮存在座椅下方。

为立坐两用式自平衡两轮车的工作原理方框图，操纵控制计算机是整个车体的控制核心，在采集了平衡传感器、车体姿态传感器后，操纵控制计算机计算出控制信号，控制电池及动力驱动模块组件，电机驱动器以及外围电路和二只直流伺服电机各通过减速齿轮各自独立驱动左右二只车轮运动。电池及动力驱动模块组件装有电池的电源管理系统(包括电池的充放电管理、欠电压和安全性控制等)；考虑到系统的冗余，电池及动力驱动模块组件共有二块，两块控制模块组件电路板是完全对称的，也就是说每一块控制电路板都可以控制和驱动整个系统，以使在一个动力驱动模块损坏时由另一块自动替代和驱动整个系统，以保证机动车的安全。

平衡传感器：该装置被分成独立的两部分，这两部分的数据同时被两路独立的控制板检测。同时两部的通讯采用光隔离，从而避免电磁干忧的错误从一边传播到另外一边。如在实际的使用过程中，其中的一块控制电路板出现故障，则另外一块可以正常的完成整个系统的控制以保证安全。而平时则两块电路板均分控制负载。

有两块完全对称的控制模块组件电路板来控制和驱动整个系统，也就是说每一块控制电路板都可以控制和驱动整个系统，以使在一块动力驱动模块损坏时由另一块自动来替代和驱动整个系统，以确保车辆的安全。平时则两块电路板均分控制负载。在信息传输中采用光隔离结构，从而避免电磁干扰的错误会从一边传到另一边。

车体姿态传感器：检测车体平台的运行姿态。其中，微陀螺仪检测的是平台绕转动轮轴转动的角速率，倾角传感器检测的是平台相对于几何水平的倾角。控制计算机对姿态传感器和电机编码器产生的脉冲量进行计算，从而检测出车体平台的运行位移、直线速度和方向，再作用于两个电机驱动器件的控制信号，控制车轮的运动方向。电池及动力驱动模块组件由电池模块、电机驱动输出模块以及外围电路组成。在实际制作中，我们选择供电时间长、容量大、质量轻的电池。首先，降低车体重量；其次，延长行驶距离和时间。电池因其质量较重，在本机动车中做成可抽出的伸缩式，以辅助增加在“坐式”驾驶时的平衡。

操纵控制计算机是整个车体的控制核心，操纵控制计算机根据姿态传感器和位置传感器检测到的平台运行姿态信号参数进行计算，运算出的控制参数送到硬件电路(包括DSP控制板、电机、电池及动力驱动模块组件)控制车体机械部分进行相应的(电机行动减速齿轮和车轮组件)“倒”或“退”的动作，以达到整个车体平衡。

对于立坐两用式自平衡两轮车类似倒立摆的结构主要是其平衡中的运动控制问题，两轮移动倒立摆的运动控制是一个多变量的控制。若采用传统的模糊控制，其规则数随输入变量数的增加呈指数增长。本发明利用分层控制的思想，针对双面两轮机动车移动运动的特点，提出了一种分层模糊控制器的设计方法，不仅减少模糊控制规则数而且使模糊控制逻辑变得清晰明了，其中控制参数通过算法整定。利用该算法获取系统的有关状态参数能使机动车在二维平面内按指定的移动速度和转动速度运动，如人体在车上的姿态(座式驾驶或立式驾驶)，保持车体平衡。在实际操作时只需向操纵控制计算机输入预先设定的模式如姿态驾驶、巡航驾驶、遥控驾驶、楼梯助力等多种功能。

本发明的自平衡车辆可以使用数字信号处理技术，立坐两用式自平衡两轮车整体控制策略是数字信号处理技术的应用，每一个脉冲信号代表一个车轮转动的角度微分量。本发明应用了基于操纵控制计算机的自平衡两轮驱动控制系统，实施了以一个计算机芯片输出分对象控制两个驱动电机的技术方案，并通过配套的软、硬件设计，实现了立坐两用自平衡多模式控制两轮机动车优点。本发明采用一种分层模糊控制技术。不仅减少了模糊控制的规则数而且使模糊控制逻辑变得清晰明了。

与现有技术相比，本发明的优点在于它可供健康人和身体残障人共同使用，能实现立坐两种模式行驶。采用与自行车相似的带转向开关的转向龙头，转弯时有类似自行车那样直觉良好的感觉。特别适合人的骑自行车时的转弯习惯。车头带有照明灯从而可以夜间行驶。利用遥控器正常人可以与残障人一起同行外出，陪同人员用遥控器操作，它的功能多，操作灵活，行驶方便。

以下结合附图实施例对本发明进行详细叙述。本发明共有三个实施例。

附图说明

图1显示本发明第一实施例的总体结构。

图2是本发明第一实施例立式驾车行驶的状态。

图3是本发明第一实施例坐式驾车行驶的状态。

图4是反映本发明第一实施例座椅被收起和电池板被抽出的状态。

图5是反映本发明第一实施例座椅被展开和电池板被抽出的状态。

图6显示的是图5中连接部分的局部放大图，显示立杆和踏板的连接。

图7显示的是转向开关的结构示意图。

图8显示本发明实施例的动力传输机构。

图9显示的是本发明实施例的防倾倒机构的结构图反映滚轮处于收缩状态。

图10显示的是本发明实施例的防倾倒机构的结构图反映滚轮处于伸出状态。

图11显示的是本发明实施例的后防倾倒机构的着地状态。

图12显示的是本发明实施例的前防倾倒机构的着地状态。

图13是本发明实施例的计算机控制系统方框图。

图14是显示本发明第二实施例它是带遮阳挡雨顶蓬的实施例。

图15是本发明的本发明第三实施例显示用于爬楼的实施例。

具体实施方式

图1显示本发明第一实施例中立坐两用自平衡两轮车1的总体结构，它可立坐两种姿态行驶、图2显示立坐第一实施例两用自平衡两轮车在立式行进中的使用状态。图3显示的是第一实施例坐式行进中的使用状态。本发明车轮2被横向固定在一个绕车轴有转动自由度的载人踏板3上，有一顶端带操纵转向龙头4的立杆5与所述的载人踏板3相固定连接成为一个整体。所述的载人踏板3有与两轮2、2’相互之间构成连接固定的悬挂装置(未显示)，载人踏板3上固定有它包括有重力传感器，倾角传感器，姿态传感器等共同组成控制车体的平衡模块6，所述的平衡模块6反映的是以铅垂线为基准的踏板3或立杆5相对于铅垂线所成的动态变化的几何夹角；一个执行车辆转弯的转向开关7。所述的立杆5上配置有供人乘坐的座椅8，它是与立杆相互铰接呈可折叠状态布置。所述的载人踏板3上固定有计算机系统9和可伸缩的电池板10。电池板10在载人踏板3上的固定是可插进或抽出的固定，电池板10抽出时可供人骑行时搁脚之用，也用于调整车体的力矩平衡，这是电池板10的一物两用之处(见图3，图4)。整个车辆的操纵控制计算机系统9布置在该载人踏板中是为了合理利用空间，可以使车辆的整体布局合理化。

座椅8在立杆5的适当高度处与立杆相铰接固定，在人采取站立姿势驾驶时座椅被收起不用(见图4)。车体1上座椅可配有供乘坐者遮风挡雨的顶蓬34。可拆卸的顶篷34不用时可折叠放到座椅8下，晴雨天均能正常使用。立杆5的正前方设有照明灯11。该座椅8能和踏板上方的操纵控制立杆5相互折叠伸缩并按预定位置锁定，收起折叠座椅时又能和踏板3上方操纵控制立杆5成为一体，不会占用和妨碍站立驾驶者的位置。放下折叠座椅8时驾驶者可在座椅8上作坐式驾驶(见图3)。立杆有上下两段通过其中间的铰接点15连接成一体(见图4)。座椅下有一根撑杆12，它的上下两端均有其旋转角度可锁定的铰接点13、14(见图3)。控制立杆5有一个与座椅撑杆12相互铰接的铰接点14。立杆5通过其最下面的一个铰支点19与载人踏板3形成可锁定的铰接。铰支点19是通过与载人踏板3相互固定的两块壳板16及相应的横销18构成。在每一块壳板16上有弧形槽17，在它的两端分别有锁定端(见图5，图6)。控制立杆5和载人踏板3连接采用二挡锁定位置，车体1在立式和坐式驾驶时其能够通过控制立杆5和载人踏板3连接处的铰接点14、弧形槽17、铰支点19的位置来改变车体的平衡的中心点，以适应状态驾驶的需要(立或坐)，这是一种人工的松开和锁紧螺母的调节(见图6)。

电子转向控制开关是一种基于霍尔效应的磁传感器——霍尔线性器件，这种材料它在和磁性材料侧移通过和接近时，它将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，在本机动车中转变成电量来被操纵控制计算机进行检测和控制。电子转向控制开关，在转向时输出电压成线性的变化，其输出电量和加在霍尔元件上的转动角速度成比例，转向的时间短，它的输出电压在瞬间的电量变化很大，转向开关7转向的过渡时间长，转向开关7输出的电量至额定的电压经历有一个变化的过程，电量的相对变化时间就长。所述的转向开关7是通过人工转动来实现开关动作的车辆1转弯的转向开关。转向开关7是安装在立杆5上或立杆与带手柄的龙头4过渡的连接处的一个结合面处(见图7)，立杆5是静止的，而手柄是由人手把持转动的。转向开关7由相向的两个对合面组成，转向开关7包含有静止的用以固定霍尔传感器30的方向朝上的端面32，该端面32位于立杆5上；转向开关7还包含有方向朝下的龙头下伸杆段的端面33，在其上居中的周边位置上布置有磁性块，该端面33随龙头一起转动，当居中布置的磁块31快速靠近霍尔传感器30时车子也同步快速转弯。靠近的运动角加速度越大，车子的转弯的速度也越大。当手柄29朝向直前不转动时，被固定在龙头下垂杆段上的方向朝下的柱形断面上的霍尔元件30没有信号输出，车子就不转弯而直行。

相同结构的转向开关也可以安装在龙头4的手柄29上，当驾驶者用手旋动龙头4的手柄时就可以操纵车子的转向。当然，完全不用人的手动操纵，也可采用按钮式的开关可以被选择用来操纵车子的转向。按钮式的转向开关被设置在龙头中央朝上布置的仪表盘上。在仪表盘上布置有操纵车辆前进或后退的按钮(未显示)，向左转弯或向右转弯的按钮。本发明是一种具备高度智能平衡功能的电动代步工具和小件物品运载工具，它具备左右两轮转轴形式的结构，装备了操纵控制计算机对机动车进行控制，具有多种操纵模式，只需向控制立杆面板(图中未显示)上的按键输入预置的模式，姿态操作、如立式驾驶、座式驾驶，手动操作、楼梯助力、遥控操作等，在操纵控制计算机控制下可以进行“前进”、“倒退”、零半径任意方向的回转等功能和模式。

踏板3的左右两侧有用于接纳左右两轮轮轴的轮壳20，左右两轮的驱动装置包含有属于自己的一个驱动电机21，它通过与电机21同轴的小齿轮22传动到宝塔齿轮的大齿轮23，最后，再由宝塔齿轮的小齿轮将动力传动到固定在车轮内齿圈24上的一个大直径的内齿轮上，从而完成动力的传输(见图8)。

在载人踏板3上安装有防倾倒装置25，它们分别被布置在载人踏板3的前方和/或后方。它是一个与所述载人踏板3相斜交连接的总成体，它包含有一个一端封闭另一端敞口的外筒体26，其内可伸缩地包含有伸缩杆总成27，伸缩杆27末端带有用于搁地的滚轮28。伸缩杆总成27包含有内筒271，它是两端敞口的筒体，筒体内有弹簧272，弹簧272一端与外筒体26的底面262相抵，另一端与固定有滚轮28的堵头273的内端面相抵，外筒的柱面261和内筒271的柱面上都有一个定位孔，当两个定位孔对准位置时有一个锁销263穿过这两个定位孔，此时弹簧272被压缩，伸缩杆27处于被收缩状态，此时滚轮28被收起(见图9)。

锁销263的插拔动作是受电磁阀264所控制的。当电磁阀作动时锁销263被拔出，在弹簧272的作用下滚轮28被弹出着地。滚轮28是通过销子274和堵头支架275被固定内筒上的。防倾翻的防倾倒装置25在机动车电池电力不足和意外情况时能即时驱动电磁阀264使弹性伸缩杆滚轮28和后小轮28’自动弹出，立坐两用自平衡两轮车1就能自己稳定立地。防止一些特发事故以保证驾驶者的安全(见图10)。

图11显示的是本发明实施例的前防倾倒机构的着地状态。图12显示的是本发明实施例的后防倾倒机构的着地状态。当使用者在外随意停车时，就以这种姿态进行停车。图13是本发明实施例的控制系统方框图。与现有技术相比较，它显得简洁明了。

图14是本发明的第二实施例，它载有顶蓬34的智能化自平衡两轮车。它的龙头上固定有两根前撑杆35，在座椅8背上也有向上伸展的两根后撑杆36，所说的四根撑杆顶端与遮阳顶蓬34相互连接。后撑杆36插在直径较大的空心管37内。两根前撑杆35与顶蓬34的连接点38是固定连接。两根后撑杆36与顶蓬34连接点39采用螺钉和螺孔连接的。

图15是本发明的第三实施例，它是载人踏板3可以布置在与车轴同轴高度的平面上，最好是布置在低于车轮轮轴中心线高度的平面上。左右两个轮子可以分别布置有相对于轮子中心呈辐射状可伸缩和方便拆卸的套筒40，套筒杆41及布置于套筒杆41上的二个或多个周轮42，用于爬楼之用。身残者在陪伴者的帮助下从外面进入到建筑物里后还可以在陪伴者的牵动下机动爬楼上楼梯。在大街上陪伴者用遥控器操作可以实现与左椅者同行。这种交通工具的推出为残障人的生活提供了极大的方便。

Claims (15)

1.一种立坐两用式自平衡两轮车，它包括有：

1)两个分别独立受控于操纵控制计算机系统控制并且横向布置而不同轴连接的轮子，所述的轮子通过减速齿轮系与各自属于自己的伺服电机相连接，所述的轮子被横向固定在一个绕车轴有转动自由度的载人踏板上，轮子与所述的载人踏板相互固定连接成为一个整体；

2)一个用于控制所述轮子工作的操纵控制计算机系统，所述的操纵控制计算机系统包括有具有重力传感器和姿态传感器的用来控制车体的平衡模块，车轮转速传感器，左右动力驱动模块，控制环路，反馈环路，中央控制单元CPU，功率放大器，电源；

3)所述的姿态传感器包括倾角传感器，所述的倾角传感器固定在载人踏板上，倾角传感器反映的是以铅垂线为基准的载人踏板或立杆相对于铅垂线所成的动态变化的几何夹角；

4)一个可手动把握龙头执行车辆转弯的转向开关；

5)一个固定在转向龙头上的操作车辆行驶的人机界面控制屏；

6)一个与载人踏板相连接的采用可锁定铰接的并且顶端带有可操纵转向的龙头的立杆；所述的立杆上配置有供人乘坐的可折叠收拢的并按预定位置锁定的座椅；

7)所述立杆上装有可折叠收起和展开使用的座椅，座椅下有一根撑杆，所述撑杆的上下两端均有旋转角度可锁定的铰接点，所述立杆除了在头尾两端有旋转角度可锁定的铰接点以外，所述立杆头尾两端之间的位置上还有一个与所述座椅的撑杆相互铰接的连接点，所述立杆通过立杆尾端的一个铰支点与载人踏板形成可锁定的铰接，铰支点是通过与载人踏板相互垂直固定的两块壳板及相应的横销构成，在每一块壳板上开有供横销滑动的弧形槽。

2.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述载人踏板的左右两侧有用于接纳左、右两个轮子的轮轴的轮壳，所述左、右两个轮子的驱动装置包含有分别属于自己的一个伺服电机，所述伺服电机通过与伺服电机同轴的小齿轮将动力传动到宝塔齿轮，最后再由宝塔齿轮将动力传动到固定在车轮内圈上的一个大直径的内齿轮上。

3.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述的平衡模块和操纵控制计算机系统布置在载人踏板上，载人踏板上还布置有可伸缩抽拉并定位固定的插入式电池板。

4.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述的车体上配有供乘坐者遮风挡雨的顶蓬，有固定在龙头上的两根前撑杆和固定于座椅上的两根后撑杆为所述顶蓬提供支撑。

5.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述的转向开关是通过车把龙头转动来实现开关动作的控制和操作车辆转弯的转向开关，转向开关包含有霍尔传感元件和相互作用的磁块，所述霍尔传感元件的信号输出的强度与龙头的转动角速度正比率。

6.如权利要求5所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述的转向开关是安装在立杆上或立杆与龙头过渡的连接处。

7.如权利要求5所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述的转向开关是安装在龙头的手柄上。

8.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述立杆有上下两段通过立杆中间的铰接点连接成一体。

9.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：在载人踏板上安装有防倾倒装置，所述的防倾倒装置是一个与所述载人踏板相斜接的弹性撑杆，所述弹性撑杆末端带有滚轮。

10.如权利要求9所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：所述防倾倒装置是一个与所述载人踏板相弹性斜交连接的总成体，包含有一个一端封闭另一端敞口的外筒体，所述外筒体内可伸缩地包含有伸缩杆总成；所述伸缩杆总成包含有内筒，所述内筒是两端敞口的筒体，筒体内有弹簧，弹簧一端与外筒体的底面相抵，另一端与固定有所述滚轮的堵头相抵，外筒体的柱面和内筒的柱面上都有一个定位孔，当两个所述定位孔对准位置时有一个锁销穿过这两个定位孔，此时弹簧被压缩，伸缩杆处于被收缩状态，伸缩杆末端带有用于搁地的滚轮此时被收起；锁销的插拔动作是受电磁阀控制的，当电磁阀作动时锁销被拔出，在弹簧的作用下滚轮被弹出着地。

11.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：绕轮轴有转动自由度的所述载人踏板，所述载人踏板的平面所处的位置低于两个所述轮子的轴心的中心线高度。

12.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：还包括有一个在车辆被用作物体搬运工具时远隔操控自平衡两轮车各种姿态和动作的遥控器。

13.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：左右两个轮子的周缘分别布置有相对于轮子中心呈辐射状布置的多个周轮或爬楼脚。

14.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：立杆的正前方设有照明灯。

15.如权利要求1所述的立坐两用自平衡两轮车，其特征是：左右两个轮子分别布置有相对于轮子中心呈辐射状可伸缩和方便拆卸的套筒、套筒杆及布置于套筒杆上的二个或多个周轮。

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