CN101920728A

CN101920728A - 一种便携自动重心控制小车

Info

Publication number: CN101920728A
Application number: CN2009102105350A
Authority: CN
Inventors: 李一鹏; 闫学凯; 郭盖华; 周伟; 陈志发
Original assignee: WUHAN RUOBITE ROBOT CO Ltd
Current assignee: WUHAN RUOBITE ROBOT CO Ltd
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2010-12-22

Abstract

一种便携自动重心控制小车，它涉及高智能化的便携自动重心控制小车，整车具有体积小，重量轻的特点，而且采用折叠结构，使把手能够折叠起来成为提手，使其能够随身携带，减小停放车的空间和被盗的可能。采用检测驾驶者与车辆重心偏移状态来控制车辆的运行，运行灵活，即使在狭小空间运行也十分灵活。采用梯形底盘结构使驾驶更舒适，更安全。采用智能的控制方式和环境感知技术，使车运行安全和稳定，舒适。

Description

一种便携自动重心控制小车

技术领域：

本发明涉及一种个人辅助交通工具，尤其涉及一种有人驾驶通过控制系统通过检测人与车体重心偏移角度并控制其运行的车辆，其两个车轮由电机带动且为水平横向布置。

背景技术：

两轮自平衡装置和技术起源于倒立摆理论，最早由日本山藤一雄发明了类似的两轮平衡装置，2002年至2003年相续被美国公司用于ibot轮椅技术和segway两轮平衡车上。用于商场，高尔夫球场，机场等，被认为是划时代的交通工具。2008年日本丰田公司开始开发类似产品。

现有技术中的一种这样的车辆已经在例如专利文献1中公开。在专利文献1中公开的车辆是“在重心很高的骑乘状态下，骑乘者可稳定行驶，其身体上部不会左右摇晃。该车辆包括：用于驾驶者骑乘的踏板；车体；当行驶方向被设定为滚动轴线的时候，该车体支撑所述踏板从而能够在围绕作为中心的滚动轴线旋转的滚动方向上改变姿态；一对车轮。该对车轮位于与所述车体行驶方向垂直的方向上同一轴线的两侧并且被所述车体看旋转地支撑；一对单独驱动和旋转所述对车轮的车轮驱动装置；和用于直接改变所述踏板的姿态或通过所述车体间接改变所述姿态的把手。”

根据专利文献1中的具有上诉结构的车辆，希望达到的效果是“当行驶在路面与行使方向垂直倾斜的倾斜路面上的时候由于重力作用，或当转向的时候由于离心力的作用，骑乘者会比较稳定”。

根据专利文献2中，其所描述的车辆为“两轮左右分布的电动车。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。”专利文献2中同轴车辆在骑乘时，通过手柄上的转向开关进行转向控制，踏板在骑乘过程中与地面平行。

[专利文献1]公开专利申请No 200610089876.3

[专利文献2]公开专利申请No 0213838652.8和专利申请200620105334.6

[专利文献3]美国专利6581714B1

但在上述专利文献1所述的车辆中，车体为平行连接机构，当转向半径较小时，骑乘者倾斜的角度较大，此时，骑乘者容易翻到。

在上述专利文献2中所述车辆中，其踏板的上表面是连续的，车体在转弯过程中不能随之改变姿态，离心力变大时，车体容易发生侧翻。而且专利文献2中所述自衡车在倾斜路面骑乘时，车体和踏板都处于倾斜状态，使骑乘者不舒适，而且有发生侧翻的危险。

现有的车辆结构复杂、成本高昂，市场推广相当缓慢。改进技术、提高性能、降低成本、推进普及是需要解决的问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种便携自动重心控制小车，它采用双备份电机控制策略，两套电机驱动和控制系统采用互相备份的方式，保障在发生故障时的运行稳定和运行安全。采用更智能和更安全可靠的软件系统，不仅从硬件上实时纠错，保证运行的可靠性，而且从软件上逐层实时检测和纠错，不仅在模块之间建立反馈检测，应急报警机制，而且在各个模块内部建立实时反馈和出错应对机制，保证了自动重心控制小车在运行过程中的安全可靠性及稳定性。解决转弯时左右踏板同时倾斜造成的使用者站力不舒适的情况，保持人与车的重心同时发生偏移，在转弯的时候，发生侧翻的可能性降低，安全性和稳定性增强。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含车体、车轮、可折叠把手、转向机构、控制系统、安全保障系统，车体是由踏板和车轮连接装置组成，是自动重心控制小车的主要承载部分；车轮是两个车轮安装于车体的左右两侧，由内嵌于车轮内的电机提供动力；可折叠把手，一种可按使用者身高伸缩并可折叠的把手，是使作者驾驶扶持和操作的机构，把手上包含有操作按扭，手柄和指示面板以及固定在把手上的喇叭与照明灯具；转向机构，通过偏转把手可带动转向机构转动，改变踏板及车体的姿态，并将车体姿态改变信号传递给控制系统；控制系统，用于所述自动重心控制小车运动和监控的嵌入式计算机硬件系统和软件系统，包括由加速度传感器，陀螺仪，编码器组成的动态平衡传感器系统，驱动电路，中央控制系统；安全保障系统，用于保障使用者使用安全的监控，反馈和控制系统，通过感知周围环境信息，判断所述自动重心控制小车所处的运行环境是否安全。

本发明设计的自动重心控制小车踏板是非连续的，而且梯形转向机构使其在骑乘者在转弯和在倾斜路面上骑乘时身体姿态和重心随之进行调整，在运行过程中，控制系统和监测系统根据重心偏移程度和把手偏移角度来控制小车的运行。车辆在转弯时，若车体不倾斜，由受力示意图可知，离心力F_离和重力G合力F车体处于受力不平衡状态，当拐弯速度V与拐弯半径R：V2/g＞a/2h时，车体将会发生翻车，是很不安全的，而在拐弯时，车体倾斜则会使离心力F_离和重力G合力F方便沿车体方向，受力处于平衡状态，而且车体车弯半径R与车体的倾角θ与此时车体的速度v相关，即R＝v²/(g.tanθ)，保证此时车体倾斜则会使离心力F_离和重力G合力F方便沿车体方向，受力处于平衡状态，使驾驶安全性和舒适性提高。

在正常状态下，车在水平地面时，车体连杆机构所处次态如图所示，上连杆，下连杆以及踏板支撑构成等腰梯形，此时，弹簧长度c＝d，角度a＝b，踢板处于水平位置。当行驶在倾斜路面时，为保证驾驶者处于一个舒适的姿态，上连杆，下连杆以及踏板支撑所构成的形状发生变形，由于所构成的形状不是平行四边形，即此时，弹簧c处于压缩状态，d处于放松状态，d＞c，而且倾斜角度越大，弹簧长度差d-c越大，回复力越大，此时，角度a＜b，而且假设偏转前角度为a₁＝b₁，那么a₁-a＞b-b₁，即α＞β，此时，踏板倾斜程度不一样，此时所处位置较高踏板处于水平位置，而所处位置较低的踏板则是向车体内疗稍微倾斜。使驾驶者驾驶时更加舒适，而且，水平位置较低车轮向车体内侧倾斜，使车体不易翻转，减小翻车的可能。

本发明通过用腿控制小车的方式更容易控制重心的偏离，真正达到用身体姿态和重心位置来控制车的运行。用扶手控制易导致车体与驾驶者重心偏移得不一致，安全性和稳定性易于失控。人体中腿是重心控制的关键，本发明所涉及的无把手腿控制自动重心控制小车解决了这一问题，保持人与车的重心同时发生偏移，在转弯的时候，发生侧翻的可能性降低，安全性和稳定性增强。

本发明解决了在不平路面上，颠簸和振动放大的问题。对于没有悬挂系统的车辆，在不平路面行驶过程中，在车的人体重心位置的振动幅度将达到A＝θ*JI*h/180，即若地面发生角度为θ的颠簸，那么人体重心处的振动幅度为θ*JI*h/180(h为人体重心的高度)。本发明中所涉及的自动重心控制小车底盘采用的梯形结构，并且两轮不共轴，踏板也不连续，那么地面的不平不会传导，也不会放大。

本发明中自动重心控制小车控制杆和扶手是可伸缩和可折叠的，便携。可伸缩扶手和腿控制杆的伸缩和折叠方式，折叠之后小车体积很小，而且扶手和控制杆变为提手，使小车可随手携带。

本发明采用双备份电机控制策略，两套电机驱动和控制系统采用互相备份的方式，保障在发生故障时的运行稳定和运行安全。采用更智能和更安全可靠的软件系统，不仅从硬件上实时纠错，保证运行的可靠性，而且从软件上逐层实时检测和纠错，不仅在模块之间建立反馈检测，应急报警机制，而且在各个模块内部建立实时反馈和出错应对机制，保证了自动重心控制小车在运行过程中的安全可靠性及稳定性。

附图说明：

图1-1为本发明自动重心控制有扶手型小车在水平路面驾驶的结构示意图；

图1-2为本发明自动重心控制无扶手腿夹式小车在水平路面驾驶的结构示意图；

图2-1为本发明自动重心控制有扶手型小车在倾斜路面驾驶的结构示意图；

图2-2为本发明自动重心控制无扶手腿夹式小车在水平路面驾驶的结构示意图；

图3-1为本发明自动重心控制有扶手型小车转弯时所处状态的结构示意图；

图3-2为本发明自动重心控制无扶手腿夹式小车转弯时所处状态的结构示意图；

图4-1-4-2为本发明自动重心控制有扶手型小车在水平路面拐弯时的结构示意图；

图5-1-5-2为本发明自动控制小车的俯视图；

图6-1为本发明手持控制式两轮自平衡车的结构示意图；

图6-2为本发明腿夹控制式两轮自平衡车的结构示意图；

图7为本发明所述自动重心控制小车底盘梯形结构示意图；

图8为本发明所述自动重心控制小车把手恢复结构示意图；

图9为本发明所述自动重心控制小车车轮的结构示意图；

图10-1-10-2为本发明自动重心控制小车车体梯形的结构示意构图；

图11-1为本发明自动控制小车为四连杆结构的运动状态结构示意图；

图11-2为本发明自动控制小车车体发生倾斜的运动状态结构示意图；

图12-1为本发明自动控制小车处于倾斜路面或转弯状态时的结构示意图；

图12-2为本发明自动控制小车车体发生倾斜时的结构示意图；

图13-1为本发明自动重心控制小车把手的伸缩结构示意图；

图13-2为本发明自动重心控制小车把手折叠机构的示意图；

图13-3为图13-2的A部放大结构示意图；

图14-1为本发明中腿控制式自动重心控制小车实施例的结构示意图；

图14-2为本发明采用大腿内侧控制小车实施例的结构示意图；

图14-3-14-4为本发明中腿控制式自动重心控制小车的实施例的结构示意图；

图14-5-14-6为本发明采用悬挂式的底盘的实施例的结构示意图；

图15为本自动重心控制小车控制系统的硬件框图；

图16为本发明自动重心控制小车软件系统模块化框图；

图17-1为本发明自动重心控制小车软件系统中传感器信号调理与控制算法模块55内部软件的功能图；

图17-2为本发明自动重心控制小车软件系统中传感器信号调理与控制算法模块55软件流程图；

图18-1为本发明自动重心控制小车软件系统中电机控制模块54软件功能图；

图18-2为本发明电机控制模块54的软件流程图；

图19-1为本发明自动重心控制小车软件系统中系统接口与电源控制模块57软件功能图；

图19-2为本发明自动重心控制小车软件系统中系统接口与电源管理模块57的软件流程图；

图20-1为本发明自动重心控制小车软件系统无线控制模块56软件功能图；

图20-2为本发明无线控制模块56的软件功能流程图。

具体实施方式：

本具体实施方式采用以下技术方案：它包含车体、车轮、可折叠把手、转向机构、控制系统、安全保障系统，车体是由踏板和车轮连接装置组成，是自动重心控制小车的主要承载部分；车轮是两个车轮安装于车体的左右两侧，由内嵌于车轮内的电机提供动力；可折叠把手，一种可按使用者身高伸缩并可折叠的把手，是使用者驾驶扶持和操作的机构，把手上包含有操作按扭，手柄和指示面板以及固定在把手上的喇叭与照明灯具；转向机构，通过偏转把手可带动转向机构转动，改变踏板及车体的姿态，并将车体姿态改变信号传递给控制系统；控制系统，用于所述自动重心控制小车运动和监控的嵌入式计算机硬件系统和软件系统，包括由加速度传感器，陀螺仪，编码器组成的动态平衡传感器系统，驱动电路，中央控制系统；安全保障系统，用于保障使用者使用安全的监控，反馈和控制系统，通过感知周围环境信息，判断所述自动重心控制小车所处的运行环境是否安全。

参看图1-1-1-2，在行使过程中，有扶手型车辆通过扶手来控制车辆的运动，而无扶手腿夹持式车辆则通过膝盖左右高度的腿控杆来控制车辆的前进后退以及拐弯。

参看图1-1-2-1，当驾驶者行驶在倾斜路面时，梯形结构将发生类似于转弯时的转动，并引起踏板面的倾斜，当车体处于高处的踏板倾斜角度与斜面角度一致时，此时踏板面仍处于水平，则于梯形结构的原因，此时处于低处的踏板倾角较高处的踏板大，此时人重心偏向高度较高踏板方向，处于较舒适的驾驶状态。而且此时车驾驶者和车体的重心位于两轮对称面上，减小车体发生侧翻的可能。

参看图3-1-3-2，当车体转弯时，车体处于倾斜状态，此时车的转弯半径R与车体的倾角θ与此时车体的速度v相关，即R＝v²/(g.tanθ)。

参看图4-1-4-2，当车体倾斜与不倾斜受力示意图。若车体不倾斜，由受力示意图可知，离心力F_离和重力G合力F车体处于受力不平衡状态，当拐弯速度V与拐弯半径R：V2/g＞a/2h时(其中a为两轮间距，h为驾驶者与人重心的高度)，车体将会发生翻车，是很不安全的，而在拐弯时，车体倾斜则会使离心力F_离和重力G合力F方便沿车体方向，受力处于平衡状态。

参看图5-1-5-2，车体的体积小，所占空间很小，折叠后易于携带和存放。

参看图6-1，包括可伸缩的把手，折叠机构，转向机构，梯形结构，电机，轮胎，控制箱体，控制系统。连杆6-1-5、6-1-6和支撑6-1-7、6-1-8，以及销轴6-1-1、6-1-2、6-1-3、6-1-4构成梯形结构，支撑6-1-7、6-1-8，与踏板、轮毂固边，在正常状态下，该梯形结构保持正等腰梯形，那么踏板即保持水平状态，而轮子保持前束状态，把手长度为可调，驾驶者通过手对把手的控制来对车的控制，把手高度可根据每个驾驶者的使用习惯和身体高度进行调节，使驾驶者处于最舒适和最灵便的驾驶状态中。参看图6-2，驾驶者通过两腿夹持腿控制式操纵杆，并通过姿势调整达到控制自动重心控制小车的目标。

参看图6-1-6-2，它涉及两种底盘结构：六连杆机构和梯形四连杆机构。左右车轮6-1-9和6-1-17通过底盘相连接，六连杆机构和梯形四连杆机构都具有一个左右偏转的自由度，当驾驶者控制操纵杆进行控制时，操纵杆带动六连杆机构和梯形四连杆机构发生偏转，从而使整车发生偏转，达到控制车体姿态的目标。

参看图7，连杆机构由销轴7-6、7-18、7-16、7-11，上连杆7-5、7-21，踏板右支撑7-8和踏板右支撑7-19以及下连杆7-12组成，实现与梯形结构相同的功能，下连杆7-12与左右踏板支撑通过销轴相连接，并且与通过销轴与把手连杆7-23连接，踏板支撑与踏板7-20和轮子7-9相连接，并且随着轮子所处状态发生上下错动，下连杆始终保持与路面平行，上连杆7-5与踏板支撑7-8及把手连杆7-23通过销轴连接，上连杆7-21与踏板支撑7-19及把手连杆7-23通过销轴连接，那么，把手左右转，带动上连杆左右运动。7-14为回复机构，通过固定块7-13与下连杆固连，当把手向左偏转时，把手连杆7-23带动上连杆7-21发生转动，连杆7-21绕销轴7-18发生转动，其下端挤压回复机构，回复机构左侧发生压缩，形成回复力，回复力大小和把手偏转角度成正比，把手偏转角度越大，回复力越大。

参看图8，为把手回复机构，8-24和8-33为调节螺母，调节顶杆的长度，通过调节顶杆的长度来保证回复机构与上连杆的接触，保证把手的回复位置，并调节回复力的大小。

当把手发生偏转时，左右上连杆压迫回复机构顶杆8-32，使弹簧8-29发生形变，产生回复力，当转变结束或无需偏转把手时，把手自动回复至零偏转位置，当偏转角度变大时，弹簧形变量也变大，所以形成的回复力也变大。8-13为回复机构固定块，与下连杆固定。弹簧套28用于防止弹簧发生径向弯曲，与导向端套8-27及格8-30固连。

参看图9，为车轮部分，由车轮侧板9-24、电机9-38，电机后端盖9-10，编码器9-41，轮毂9-35、9-36以及轮胎9-9组成，车轮部分通过9-24车轮侧板与踏板相边接，电机轴通过连轴器9-40与编码器码盘9-41相连接，将电机转速反馈到控制系统中。电机9-38与电机后端盖9-10固连，电机后端盖9-10与车轮侧板9-24连接，电机输出为外转子输出，是与内轮毂9-36固连。内轮毂9-36和外轮毂9-36都是楔形的，通过内外夹紧轮胎，通过调节螺钉的松紧调节夹紧程度，防止轮毂与轮胎之间发生相对滑动。

参看10-1，正常状态下，车在水平地面时，车体连杆机构所处次态如图所示，上连杆，下连杆以及踏板支撑构成等腰梯形，此时，弹簧长度c＝d，角度a＝b，踢板处于水平位置。当行驶在倾斜路面时，为保证驾驶者处于一个舒适的姿态，上连杆，下连杆以及踏板支撑所构成的形状发生变形；参看图10-2，由于所构成的形状不是平行四边形，即此时，弹簧c处于压缩状态，d处于放松状态，d＞c，而且倾斜角度越大，弹簧长度差d-c越大，回复力越大，此时，角度a＜b，而且假设偏转前角度为a₁＝b₁，那么a₁-a＞b-b₁，即此时，踏板倾斜程度不一样，此时所处位置较高踏板处于水平位置，而所处位置较低的踏板则是向车体内疗稍微倾斜。使驾驶者驾驶时更加舒适，而且，水平位置较低车轮向车体内侧倾斜，使车体不易翻转，减小翻车的可能。

参看图11-1为4连杆梯形机构，正常状态下梯形结构呈等腰梯形状态，当小车处于倾斜路面或转弯状态时，车体4连杆梯形结构发生变化，参看图11-2-，此时车体发生倾斜，梯形结构的特点导致两边踏板倾斜角度不一样，即如图所示α₁＞β₁，内侧倾斜角度小，符合人体重心偏移时，重心偏移方向。

参看图12-1，当小车处于倾斜路面或转弯状态时，车体六连杆梯形结构发生变化，如图12-2-，此时车体发生倾斜，本结构的特点导致两边踏板倾斜角度不一样，即如图所示α₂＞β₂，内侧倾斜角度小，符合人体重心偏移时，重心偏移方向。

本发明中，梯形结构特点使左右两边踏板倾角不同，而且重心偏移方向踏板倾角小，对侧倾角大，即α＞β，由人体站立姿态示意和重心偏移时姿态示意可知，重心偏移方向倾角小于对侧倾角是人驾驶最舒适的状态，且经过优化得到梯形结构中各连杆长度的最优解。

参看图13-1，根据驾驶者身高不同或折叠要求，可将把手调整不同的长度。前杆13-1-118与后杆13-1-119可通过活动销13-1-120进行固定或滑动，后杆13-1-19上有固定孔，活动销13-1-120在滑动至固定孔时凸出，使前杆和后杆固定连接，当用力按下活动销，使前杆和后杆脱离连接，前杆和后杆可发生相对滑动实现伸缩。参看图13-2，折叠机构通过U形块13-2-43与梯形结构竖杆13-2-23连接，T形块13-2-48与把手13-2-44固连，转轴13-2-50通过U形块13-2-43和T形块13-2-48中的孔使U形块13-2-43和T形块13-2-48形成铰结关系，在另一端转轴外套弹簧13-2-46，与螺母13-2-45进行螺纹连接。13-2-49为固定在销轴13-2-50大圆面上的销，正常状态下，由于弹簧的弹力压紧螺母，使销轴大圆面贴紧U形块13-2-43，销13-2-49同时穿过U形块13-2-43和T形块的固定孔，把手被固定，当用力压螺母13-2-45时，弹簧13-2-46压缩，销轴13-2-50带动销13-2-49向U形块13-2-43外面运动，当销脱离T形块的固定孔时，U形块与T形块间为铰接关系，可以折叠状态和直立状态间进行切换。

参看图14-1-14-2-所示，为本发明的实施例图，采用了两种不同高度的腿控制杆。图14-1采膝盖控制的方式，这种控制方式的特点为控制杆短，驾驶都用腿来控制车体的运行和车体的姿态，控制灵活。图14-2采用大腿内侧控制的方式，这种方式的特点为控制杆长，驾驶者通过大腿内侧来控制车体的运行和车体的姿态，体验性更强，车与人体的协调性更强，驾驶者的驾驶感受更好。参看图14-3和图14-4四连杆梯形结构和六连杆结构在本发明中具有相同的效果，通过改变连杆中竖杆的结构和把手的形式可得到不同的实施方式。参看图14-5和图14-6，悬挂系统主要由摆动侧臂14-51，强力弹簧14-52，转轴14-53构成，转轴与踏板连接，摆动侧臂14-51可绕转轴14-53转动，摆动侧臂末端与弹簧14-52连接，弹簧压缩伸展可带动摆动侧臂摆动，摆动侧臂14-51与轮子部分相连接，即轮子部分压力发生突变导致轮子上下运动时，带动摆臂摆动，并压缩弹簧。

当需要转弯或行驶在倾斜路面时，重心偏移导致两侧压力变化，并形成压力差，弹簧形变量不同，导致两边踏板离地高度也不一样，此时，摆臂摆动角度不一样，转轴处安装有角度传感器，通过检测角度可知车体所处状态并作出相应的反应。

参看图15，控制电路分为无线控制器108，协调控制模块109，角度传感模块110和两个电机驱动模块111、112，共五大部分，后四个车载模块之间通过CAN总线进行通讯，电源系统由电池先给协调控制板供电，再由其统一控制其他模块的电源。下面分别对各个模块进行说明。

控制模块108可采用有线控制和无线控制两种方式，无线控制模块采用便携、低功耗的设计方式，可以手持控制或安装在车把上，用于无线监控车体的状态信息，显示运行状态，行驶速度，电池电量等信息。在自平衡和自引导状态下还可以对车体进行10米以内的短距离无线控制。

协调控制模块109负责控制电路与其他外部功能按键113和电池114等外设的接口电路模块，统一对供电电池的电压、电流进行监测和保护，采集电池114电量信息，在各种工作模式下，管理对其他电路模块的供电，维持低功耗状态下的待机性能。除了转向传感器之外的外部的功能按键信息也统一由该模块采集，并送交角度传感模块进行统一的控制。该模块还负责将通讯状态的信息通过无线发射的接口发送至PC端，方便监控车体控制电路的运行状态，并预留了无线遥控的功能，可以保证当车体运行在自动平衡模式下时可以灵活地受到使用者的手持无线控制器的控制。该模块有感知引导信息的接口，自动引导模式下，当无线控制器发出的方位信息被感知到时，控制车体转向正确的方向，并控制距离无线控制器的距离，以实现方便的自动引导功能。该模块设计有外扩SD卡插槽，将角度，速度等实时采集的重要信息存储至SD卡，大量记录的数据帮助对车体的故障进行有针对性的分析。

角度传感模块110负责采集当前的车体姿态信息，包括相对于水平面的绝对角度、侧倾角度等，通过加速度传感器和微机电陀螺仪的测量值进行融合，计算得到当前的准确角度信息，并发送至底盘电机驱动模块进行车体平衡控制。转向传感器的信号也送进角度传感器板，统一负责发送底盘转向的命令。

底盘左右电机采用完全一样的电机驱动模块111、112，该模块由供电电路，控制核心，对外接口，光耦隔离电路，功率放大电路以及保护电路组成，负责直流无刷电机的精确伺服控制，特别是要求达到的高性能低速四象限控制性能。

控制系统采用的控制核心均为高性能处理器，以每秒至少100次的调节速度精确控制车体的平衡，电池采用高能量密度电池，为电机提供充沛的动力及续航能力，同时减轻了车体重量。

参看图16，采用模块化设计，系统分为4个部分，即电机驱动控制部分16-54，传感器信号调理与控制算法部分16-55，系统接口与电源部分16-57，无线控制器部分16-56；电机驱动控制部分16-54与传感器信号调理与控制算法部分16-55连接，传感器信号调理与控制算法部分16-55与无线控制器部分16-56连接，传感器信号调理与控制算法部分16-55与系统接口与电源部分16-57连接。

参看图17-1，主要是完成对各惯性传感器的信号调理与运动控制算法。传感器信号调理程序主17-59要负责对各传感器信号进行滤波与融合，为运动控制程序17-61提供较高精度的角度和角速度信息。运动控制程序17-61主要负责利用传感器信号调理程序17-59产生的当前车体的姿态和动作信息计算出合适的控制输出。通讯控制程序17-60负责接收外部控制信号，同时将控制输出发送到电机控制模块上去。出错处理程序17-58负责监控模块内部各软件与硬件的工作状态，并在出错时给出相应的报警信息。

参看18-1，电机控制模块主要是完成接收上位机的控制命令并实现对电机的控制工作。通讯控制程序18-69主要完成接收上位机的命令并根据命令调用不同的功能模块。PID调节控制程序18-72主要完成对电机的闭环控制，包括速度闭环，电流闭环等。电机控制程序18-73主要负责对电机进行底层控制。硬件监控程序18-71负责监控驱动电路各主要敏感部分的工作状态。出错处理程序18-70主要负责对各功能的错误处理与对外报警。

参看图19-1，该模块主要负责整个系统对外的接口，如无线通讯口，串口等。并完成对系统中其他各模块电源管理，以达到低功耗的目的。电源管理程序19-81主要负责对系统中各模块的电源进行控制，根据不同的状态，开启不同的设备。扩展接口管理程序19-84主要负责对系统中的扩展接口和其他附件进行控制。无线管理程序19-83主要负责与无线模块进行通信。CAN通讯管理程序19-82主要负责对CAN总线进行监控，出错处理程序19-85主要负责对各功能的错误处理与对外报警。

参看20-1，该模块主要用于系统扩展控制，通过无线通讯接口，对自动重心控制小车进行控制与状态监控，如电池电量，运行速度，运行里程等状态。LCD控制程序20-94主要负责对板载的液晶进行控制与显示。无线通讯管理程序20-95主要负责无线接入。菜单系统20-96负责LCD显示部分的人机接口的交互逻辑部分。错误处理程序20-97主要负责错误处理和报警。

本具体实施方式采用双备份电机控制策略，两套电机驱动和控制系统采用互相备份的方式，保障在发生故障时的运行稳定和运行安全。采用更智能和更安全可靠的软件系统，不仅从硬件上实时纠错，保证运行的可靠性，而且从软件上逐层实时检测和纠错，不仅在模块之间建立反馈检测，应急报警机制，而且在各个模块内部建立实时反馈和出错应对机制，保证了自动重心控制小车在运行过程中的安全可靠性及稳定性。

Claims

1.一种便携自动重心控制小车，其特征在于它包含车体、车轮、可折叠把手、转向机构、控制系统、安全保障系统，车体是由踏板和车轮连接装置组成，是自动重心控制小车的主要承载部分；车轮是两个车轮安装于车体的左右两侧，由内嵌于车轮内的电机提供动力；可折叠把手，一种可按使用者身高伸缩并可折叠的把手，是使作者驾驶扶持和操作的机构，把手上包含有操作按扭，手柄和指示面板以及固定在把手上的喇叭与照明灯具；转向机构，通过偏转把手可带动转向机构转动，改变踏板及车体的姿态，并将车体姿态改变信号传递给控制系统；控制系统，用于所述自动重心控制小车运动和监控的嵌入式计算机硬件系统和软件系统，包括由加速度传感器，陀螺仪，编码器组成的动态平衡传感器系统，驱动电路，中央控制系统；安全保障系统，用于保障使用者使用安全的监控，反馈和控制系统，通过感知周围环境信息，判断所述自动重心控制小车所处的运行环境是否安全。

2.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于它包括可伸缩的把手，折叠机构，转向机构，梯形结构，电机，轮胎，控制箱体，控制系统；连杆(6-1-5)、(6-1-6)和支撑(6-1-7)、(6-1-8)，以及销轴(6-1-1)、(6-1-2)、(6-1-3)、(6-1-4)构成梯形结构，支撑(6-1-7)、(6-1-8)，与踏板、轮毂固边，在正常状态下，该梯形结构保持正等腰梯形，那么踏板即保持水平状态，而轮子保持前束状态，把手长度为可调，驾驶者通过手对把手的控制来对车的控制，把手高度可根据每个驾驶者的使用习惯和身体高度进行调节，使驾驶者处于最舒适和最灵便的驾驶状态中。

3.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于它涉及两种底盘结构：六连杆机构和梯形四连杆机构；左右车轮(6-1-9)和(6-1-17)通过底盘相连接，六连杆机构和梯形四连杆机构都具有一个左右偏转的自由度，当驾驶者控制操纵杆进行控制时，操纵杆带动六连杆机构和梯形四连杆机构发生偏转，从而使整车发生偏转，达到控制车体姿态的目标。

4.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于连杆机构由销轴(7-6)、(7-18)、(7-16)、(7-11)，上连杆(7-5)、(7-21)，踏板右支撑(7-8)和踏板右支撑(7-19)以及下连杆(7-12)组成，实现与梯形结构相同的功能，下连杆(7-12)与左右踏板支撑通过销轴相连接，并且与通过销轴与把手连杆(7-23)连接，踏板支撑与踏板(7-20)和轮子(7-9)相连接，并且随着轮子所处状态发生上下错动，下连杆始终保持与路面平行，上连杆(7-5)与踏板支撑(7-8)及把手连杆(7-23)通过销轴连接，上连杆(7-21)与踏板支撑(7-19)及把手连杆(7-23)通过销轴连接，那么，把手左右转，带动上连杆左右运动；(7-14)为回复机构，通过固定块(7-13)与下连杆固连，当把手向左偏转时，把手连杆(7-23)带动上连杆(7-21)发生转动，连杆(7-21)绕销轴(7-18)发生转动，其下端挤压回复机构，回复机构左侧发生压缩，形成回复力，回复力大小和把手偏转角度成正比，把手偏转角度越大，回复力越大。

5.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于当把手发生偏转时，左右上连杆压迫回复机构顶杆(8-32)，使弹簧(8-29)发生形变，产生回复力，当转变结束或无需偏转把手时，把手自动回复至零偏转位置，当偏转角度变大时，弹簧形变量也变大，所以形成的回复力也变大；(8-13)为回复机构固定块，与下连杆固定；弹簧套(28)用于防止弹簧发生径向弯曲，与导向端套(8-27)及格(8-30)固连。

6.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于由车轮侧板(9-24)、电机(9-38)，电机后端盖(9-10)，编码器(9-41)，轮毂(9-35)、(9-36)以及轮胎(9-9)组成，车轮部分通过(9-24)车轮侧板与踏板相边接，电机轴通过连轴器(9-40)与编码器码盘(9-41)相连接，将电机转速反馈到控制系统中；电机(9-38)与电机后端盖(9-10)固连，电机后端盖(9-10)与车轮侧板(9-24)连接，电机输出为外转子输出，是与内轮毂(9-36)固连；内轮毂(9-36)和外轮毂(9-36)都是楔形的，通过内外夹紧轮胎，通过调节螺钉的松紧调节夹紧程度，防止轮毂与轮胎之间发生相对滑动。

7.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于正常状态下，车在水平地面时，车体连杆机构所处姿态，上连杆，下连杆以及踏板支撑构成等腰梯形，此时，弹簧长度c＝d，角度a＝b，踢板处于水平位置；当行驶在倾斜路面时，为保证驾驶者处于一个舒适的姿态，上连杆，下连杆以及踏板支撑所构成的形状发生变形；由于所构成的形状不是平行四边形，即此时，弹簧c处于压缩状态，d处于放松状态，d＞c，而且倾斜角度越大，弹簧长度差d-c越大，回复力越大，此时，角度a＜b，而且假设偏转前角度为a₁＝b₁，那么a₁-a＞b-b₁，即此时，踏板倾斜程度不一样，此时所处位置较高踏板处于水平位置，而所处位置较低的踏板则是向车体内疗稍微倾斜；使驾驶者驾驶时更加舒适，而且，水平位置较低车轮向车体内侧倾斜，使车体不易翻转，减小翻车的可能。

8.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于根据驾驶者身高不同或折叠要求，可将把手调整不同的长度；前杆(13-1-118)与后杆(13-1-119)可通过活动销(13-1-120)进行固定或滑动，后杆(13-1-19)上有固定孔，活动销(13-1-120)在滑动至固定孔时凸出，使前杆和后杆固定连接，当用力按下活动销，使前杆和后杆脱离连接，前杆和后杆可发生相对滑动实现伸缩；折叠机构通过U形块(13-2-43)与梯形结构竖杆(13-2-23)连接，T形块(13-2-48)与把手(13-2-44)固连，转轴(13-2-50)通过U形块(13-2-43)和T形块(13-2-48)中的孔使U形块(13-2-43和T形块(13-2-48形成铰结关系，在另一端转轴外套弹簧(13-2-46)，与螺母(13-2-45)进行螺纹连接；(13-2-49)为固定在销轴(13-2-50)大圆面上的销，正常状态下，由于弹簧的弹力压紧螺母，使销轴大圆面贴紧U形块(13-2-43)，销(13-2-49)同时穿过U形块(13-2-43)和T形块的固定孔，把手被固定，当用力压螺母(13-2-45时，弹簧(13-2-46)压缩，销轴(13-2-50)带动销(13-2-49)向U形块(13-2-43)外面运动，当销脱离T形块的固定孔时，U形块与T形块间为铰接关系，可以折叠状态和直立状态间进行切换。

9.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于悬挂系统主要由摆动侧臂(14-51)，强力弹簧(14-52)，转轴(14-53)构成，转轴与踏板连接，摆动侧臂(14-51)可绕转轴(14-53)转动，摆动侧臂末端与弹簧14-52)连接，弹簧压缩伸展可带动摆动侧臂摆动，摆动侧臂(14-51)与轮子部分相连接，即轮子部分压力发生突变导致轮子上下运动时，带动摆臂摆动，并压缩弹簧。

10.根据权利要求1所述的一种便携自动重心控制小车，其特征在于采用模块化设计，系统分为4个部分，即电机驱动控制部分(16-54)，传感器信号调理与控制算法部分(16-55)，系统接口与电源部分(16-57)，无线控制器部分(16-56)；电机驱动控制部分(16-54)与传感器信号调理与控制算法部分(16-55)连接，传感器信号调理与控制算法部分(16-55)与无线控制器部分(16-56)连接，传感器信号调理与控制算法部分(16-55)与系统接口与电源部分(16-57)连接。