CN102642584B - 自平衡电动载人独轮车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自平衡电动载人独轮车，包括车架、把手、车座、脚踏板、车轮、轮毂电机、控制器和电池组，控制器包括车体姿态感应系统、车体姿态控制系统和电机驱动系统，车体姿态感应系统负责检测车体的实时前后倾斜角度和倾斜速度，车体姿态控制系统根据检测得到的车体倾斜值运用平衡算法算出补偿倾斜量，经电机驱动系统控制轮毂电机向车体倾斜方向输出相应的扭矩，驱动车轮向车体倾斜方向前进。本独轮车结构简单、重量轻，行进的前后方向依靠控制器和电机来自平衡，左右方向由驾驶者依靠行进的惯性通过调整身体重心来实现平衡，大大简化了骑行的难度，易学易掌握，且不失独轮车的骑行乐趣，还提高了行驶速度和行驶里程等。

Description

自平衡电动载人独轮车

技术领域：

本发明涉及一种电动独轮车，特别是一种行进中前后方向自动平衡，左右方向依靠驾驶者人为控制平衡的电动载人独轮车。

背景技术：

近20年由于半导体技术的发展，尤其微处理器运算性能的提高，以及半导体传感器技术的成熟，过去在自动控制领域里很多无法做到的事情，借助计算机系统的运算性能，如今很多技术得到了长足的发展，例如，根据动态平衡理论制作的倒立摆装置得以实现。

纯机械独轮车是一种难于学习的骑行装置，难度要大于普通自行车，骑行时，必须控制前后平衡及左右平衡，所以需长时间的艰苦训练才能够掌握，而且行进中速度低，跑不远，这也是这项运动难以普及的一个重要原因。但是通过安装电机以及控制器就可以实现类似倒立摆装置的自平衡载人电动独轮车系统。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述纯机械独轮车的不足，提供一种在行进的前后方向上独轮车是依靠控制器和电机来自平衡，左右方向由驾驶者依靠行进的惯性通过调整身体重心来实现平衡的自平衡电动载人独轮车，从而大大简化了骑行的难度，且不失独轮车的骑行乐趣，还提高了行驶速度和行驶里程。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种自平衡电动载人独轮车，包括车架、把手、车座、脚踏板、车轮、轮毂电机、控制器和电池组，所述控制器包括车体姿态感应系统、车体姿态控制系统和电机驱动系统，所述车体姿态感应系统包括一单轴微机械结构的加速度感应芯片、一单轴微机械结构的陀螺仪和一卡尔曼滤波算法单元，所述加速度感应芯片和陀螺仪分别检测车体的实时前后倾斜角度和倾斜速度，所述卡尔曼滤波算法单元将二者的检测值进行融合并过滤掉其他噪音数据，得到车体倾斜的真实值传输给车体姿态控制系统，所述车体姿态控制系统根据这一真实倾斜值运用平衡算法算出补偿倾斜量，经电机驱动系统控制轮毂电机向车体倾斜方向输出相应的扭矩，驱动车轮向车体倾斜方向前进。

所述把手安装在车架前侧，所述车轮安装在车架下部，所述车座安装在车架上部，所述控制器和电池组安装在车架上。

还包括一对分别安装在车架下部两侧的脚踏板固定件，所述脚踏板设置有左、右二个，其通过销轴可转动地安装在对应的脚踏板固定件上，所述轮毂电机通过其中轴也安装在脚踏板固定件上。

还包括一对辅助轮，所述辅助轮分别可拆卸地固定安装在左、右二个脚踏板的前侧。

还包括一安装在车架后侧的后提手。

所述车体姿态控制系统运用的平衡算法可以采用PID算法。

所述控制器选用基于arm内核的高速处理器Psoc5作为控制系统的核心处理器。

本发明的有益效果为：简化了骑行的难度，使驾驶者更容易学习和掌握，保留了独轮车骑行的乐趣，增加了骑行速度和行驶里程，不仅可以作为演员表演杂技的舞台道具，而且也能够成为被大众所接受的娱乐休闲和短途代步工具。同时，电池效率高，控制准确，运行可靠，并且因为只有一个电机，所以结构简单，体积小，重量轻。

附图说明：

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明自平衡电动载人独轮车的立体结构示意图，图中，车座处于分离状态，车体保护壳未示意。

图2为本发明自平衡电动载人独轮车的电路原理框图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明实施例所述的一种自平衡电动载人独轮车，包括车架1、把手2、车座3、脚踏板4、车轮5、轮毂电机6、控制器7和电池组8。把手2安装在车架1前侧，车轮5安装在车架1下部，车座3安装在车架1上部，控制器7和电池组8安装在车架1上。还包括一对分别安装在车架1下部两侧的脚踏板固定件9，脚踏板4设置有左、右二个，其通过销轴10可转动地安装在对应的脚踏板固定件9上，当独轮车不使用或打包运输时，可以将脚踏板4向内收折，从而减小独轮车的装箱体积，轮毂电机6通过其中轴也安装在脚踏板固定件9上。

还包括一对辅助轮11，其分别可拆卸地固定安装在左、右二个脚踏板4的前侧，从而与车轮5形成三足鼎立，便于初学者操作练习，而对于操作熟练者可以将该对辅助轮11拆掉，以增加骑行乐趣。打包运输时，该对辅助轮11将随脚踏板4一起向内收折，以进一步减小独轮车的装箱体积，结构设计十分合理。

还包括一安装在车架1后侧的后提手12，以便于携带或搬运独轮车时可以手提。

如图2所示，控制器7包括车体姿态感应系统71、车体姿态控制系统72和电机驱动系统73。车体姿态感应系统71包括一单轴微机械结构的加速度感应芯片711、一单轴微机械结构的陀螺仪712和一卡尔曼滤波算法单元713。加速度感应芯片711可以感应到单轴上的任何加速度，其中包含重力加速度，当芯片的感应轴与重力垂直轴发生倾斜时，重力加速度会在感应轴上产生一个分量，根据三角函数可以计算出感应轴与重力垂直轴夹角的度数，即车体的倾斜角度。但是由于车体在行进中会遇到各种方向的加速度，这些加速度都会在感应轴上产生一个分量，所以当独轮车行驶时，单独依靠加速度感应芯片711的检测值是没办法得到真实倾斜角度的。为此该车体姿态感应系统71又使用了一个单轴微机械结构的陀螺仪712，陀螺仪712的感应轴和加速度感应芯片711的感应轴重叠，这样就可以检测出车体的倾斜速度。卡尔曼滤波算法单元713将加速度感应芯片711和陀螺仪712检测到的车体倾斜角度和车体倾斜速度进行融合并过滤掉其他噪音数据，得到车体倾斜的真实值传输给车体姿态控制系统72，车体姿态控制系统72根据这一真实倾斜值运用平衡算法算出补偿倾斜量，经电机驱动系统73控制轮毂电机6向车体倾斜方向输出相应的扭矩，驱动车轮5向车体倾斜方向前进。

如上所述，车体姿态控制系统72运用的平衡算法可以采用PID(比例，积分，微分)算法。同时，由于运算量较大，故控制器7选用基于arm内核的高速处理器Psoc5作为控制系统的核心处理器。电池组8用于储存电能，给控制器7中各用电元件提供电能。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。

Claims (2)

1.一种自平衡电动载人独轮车，包括车架、把手、车座、脚踏板、车轮、轮毂电机、控制器和电池组，所述控制器包括车体姿态感应系统、车体姿态控制系统和电机驱动系统，所述车体姿态感应系统包括一单轴微机械结构的加速度感应芯片、一单轴微机械结构的陀螺仪和一卡尔曼滤波算法单元，所述加速度感应芯片和陀螺仪分别检测车体的实时前后倾斜角度和倾斜速度，所述卡尔曼滤波算法单元将二者的检测值进行融合并过滤掉其他噪音数据，得到车体倾斜的真实值传输给车体姿态控制系统，所述车体姿态控制系统根据这一真实倾斜值运用平衡算法算出补偿倾斜量，经电机驱动系统控制轮毂电机向车体倾斜方向输出相应的扭矩，驱动车轮向车体倾斜方向前进，其特征在于：还包括一对分别安装在车架下部两侧的脚踏板固定件，所述脚踏板设置有左、右二个，其通过销轴可转动地安装在对应的脚踏板固定件上，所述轮毂电机通过其中轴也安装在脚踏板固定件上，还包括一对辅助轮，所述辅助轮分别可拆卸地固定安装在左、右二个脚踏板的前侧，加速度感应芯片感应到单轴上的重力加速度，当芯片的感应轴与重力垂直轴发生倾斜时，重力加速度会在感应轴上产生一个分量，根据三角函数计算出感应轴与重力垂直轴夹角的度数，陀螺仪的感应轴和加速度感应芯片的感应轴重叠，从而检测出车体的倾斜速度，所述车体姿态控制系统运用的平衡算法采用PID算法，所述把手安装在车架前侧，所述车轮安装在车架下部，所述车座安装在车架上部，所述控制器和电池组安装在车架上，还包括一安装在车架后侧的后提手。

2.根据权利要求1所述一种自平衡电动载人独轮车，其特征在于：所述控制器选用基于arm内核的高速处理器Psoc5作为控制系统的核心处理器。

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