CN103189267B - 陀螺稳定式车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式描述通过多个传感器来接收指示车辆信息的数据。所述信息可至少指示车辆（100）的框架（110）的取向、所述车辆的前轮（200）相对于所述框架的取向、第一飞轮（270a）和第二飞轮（270b）的取向和旋转速度、以及车辆的速度。在一个实施方式中，各飞轮包括在与所述车辆框架联接的第一陀螺仪和第二陀螺仪中。至少部分基于从多个传感器所接收的数据，可调节至少一个所述飞轮的取向和旋转速度中的至少之一。所述调节还可基于改变所述车辆的速度和方向中的至少之一的输入。

Description

陀螺稳定式车辆
要求优先权
本发明要求2010年3月16日递交的美国临时专利申请No.61/314,540和2010年9月2日递交的美国非临时专利申请No.12/875,041的优先权。
技术领域
本发明实施方式涉及运输车辆，更具体地，涉及一种陀螺稳定式车辆。
背景技术
增加的能源费用和温室气体对环境的影响，已经形成对于具有低碳足迹的高效车辆的不断需求。内联轮式车辆，例如摩托车和小型摩托车，比传统的四轮轿车提供更高的效率；然而，该效率主要由于内联轮式车辆和四轮轿车之间的物理差异，例如减轻的重量、较少的摩擦面以及减少的阻力导致的。此外，由于受到天气和风的影响、碰撞事故的安全问题、以及在车辆使用期间需要保持车辆稳定的能力，许多用户不愿意或不能够操作摩托车和小型摩托车。
用于减少内联轮式车辆的使用者受到天气和风影响的解决方案通常限于部分地遮挡驾驶者勉受到自然力影响的设备(例如挡风玻璃)以允许使用者在低速期间使用自己的脚帮助稳定车辆。此外，尽管一些解决方案已尝试创建用于内联式车辆的封闭驾驶室，但是这些解决方案不是需要额外的(尽管较小)车轮以稳定车辆，就是在所有潜在的和可预见的使用期间不提供车辆的稳定性。尝试电子稳定内联轮式车辆的现有技术解决方案也不能够提供对于资源和能源有效的解决方案以使车辆的总效率最大化。
附图说明
下面的描述包括具有通过实施本发明示例性的实施方式而给出的说明图解的详述。应该理解，这些图作为示例，而不是作为限制。本文中所使用的或涉及的一个或多个“实施方式”应该理解成描述本发明的至少一个实施方式中所包括的具体的特征、结构或特性。因此，在本文中出现的例如“在一个实施方式中”或“在可替换的实施方式中”的短语描述本发明的各种实施方式和执行方式，且不必全部涉及同一实施方式。然而，这些实施方式也不必相互排斥。
图1示出包括本发明实施方式的车辆的局部剖面侧视图；
图2示出飞轮组件的分解图；
图3A-图3H示出不同状态下车辆的局部剖面侧视图，指示根据本发明的实施方式的能量流；
图4示出根据本发明的实施方式的能量流示意图；
图5示出根据本发明的实施方式的控制系统的流程示意图；
图6示出控制系统的实施方式。
下文进行了某些细节和执行方式的描述，包括图片描述，其可描绘一些或所有下文描述的实施方式，还讨论了本文所介绍的发明构思的其他可能的实施方式或执行方式。下文提供了本发明的实施方式的概述，然后参照附图进行了更为详细的描述。
具体实施方式
已知通过使用飞轮旋进来产生反力矩，以使用陀螺仪维持两轮车辆直立的基本构思(尽管在该发明书中参照了陀螺稳定式两轮车辆，但是陀螺稳定性原理也可用于具有窄轮距的任何车辆，从而使陀螺稳定性用于稳定车辆或提高提供稳定性的悬架系统)；然而，这类系统出于各种原因没有被普遍采用，包括缺乏用于使车辆在高速以及所有条件下安全操作的合适控制系统的设计。
先前的并入飞轮稳定性的尝试，添加了更大的复杂性，以及由于附加的机械传动系统、能量和燃油(或电池)需求，相应地增加了车辆的重量。附加地，飞轮自身耗费了相当大量的能源且因此否定了两轮车辆自身的内在效率优点。然而，在利用电动发电机的电子驱动系统方面的进步允许车辆的零排放功率，且提供了当在车辆减速期间使用再生制动原理以恢复更大量的能量的能力。这结合在储能密度上的进步，允许扩大的范围，甚至具有附加的用于陀螺稳定的动力。
已知控制这些效应的基本反应式，且通过等式对其进行描述。用于实心圆盘的惯性力矩(I)为I＝1/4*m*r2，其中m为圆盘的质量和r为半径。对于给定的车辆重量和重心(CG)，可按规定尺寸制作陀螺稳定器飞轮的大小以便当停止时可不确定地控制车辆的垂直稳定性。可选择飞轮的半径、质量和几何形状以维持紧凑的尺寸(使其可安装在车辆框架内)且仍能够提供有效的惯性力矩I。
使旋转的飞轮围绕垂直于旋转的飞轮轴线的轴线进行旋进，这将形成垂直于旋转轴线和旋进轴线的反力矩。装有万向支架的飞轮组件的有用的反力矩τ通过等式给出：τ＝Idisk*ωdisk*ωaxis。飞轮的旋转速率对于可用于稳定车辆的有用力矩τ的量起着较大的作用。作为在用于选定飞轮的质量和几何形状的控制方程中的仅仅可控制的变量中一个变量，可控制飞轮旋转速率以补偿车辆的变化的静载荷和载荷分布，以及相应的陀螺稳定器的校正的能力。
用于控制车辆的附加变量包括：
θVehicle为以弧度测量的从一侧到一侧的车辆的倾斜度；
VVehicle为以米/秒测量的当车辆沿着马路移动时车辆的速率；
ωdisk为以弧度/秒测量的飞轮的旋转速率；
为以弧度测量的飞轮距离离开垂直方向的倾斜度；
ωaxis为以弧度/秒测量的飞轮倾斜的旋转速率；
θsteering为以弧度测量的转向输入。
使用输入θVehicle、VVehicle、ωFlywheel、ωaxis、和θSteering，可通过改变ωaxis控制θVehicle，其输出垂直于的力矩以抵抗或增加θVehicle的变化。当达到90°或弧度时，由于力矩输出垂直于因此陀螺仪改变θVehicle的有效性降低。通过使用包括主要环路控制和次要环路控制或状态空间的现代控制系统，可通过致动ωaxis而实现和θVehicle的控制。因此，可用于解释两个输出和θVehicle，同时优先确保θvehicle稳定。
飞轮几何形状和材料以及旋进电动机的尺寸(确定陀螺仪系统的校正能力)可取决于变量，例如：车辆重量和在预期载荷条件下的重心、最大车辆速度、最大转动速率、以及预期的环境条件(例如横向风、道路坡度的变化等)。在一个实施方式中，出于包装和效率的目的，陀螺仪组件的尺寸和质量可尽可能的小。本发明的实施方式还可被两轮车辆利用，两轮车辆基本上比传统轿车或卡车更窄，因此遵守摩托车法。选择飞轮质量使得当在期望的速度范围内旋转时，单个飞轮可校正整个车辆以及其内容物的不稳定状态以用于持续的时间段。飞轮材料的选择主要源于材料密度(δ)、材料强度、储能能力和总重之间的权衡。根据等式：Edisk＝-*Idisk*ωdisk 2，能量储备(E)涉及惯性力矩和速率的平方。较高密度的材料可允许较小的整体包装，但是较大飞轮质量需要较大的驱动马达，因此需要更大的重量和空间。
附加地，具有大质量的飞轮对于加速需求(即，加快自旋到给定速度将持续更长的时间)呈较小响应，或可需要更大的驱动马达以在给定的时间内使飞轮加速。可优化飞轮质量以增加车辆的效率，并且使陀螺仪质量最小化有助于保持整个车辆质量较小，这意味着在操作车辆时能源消耗较少。在一个实施方式中，飞轮材料为碳纤维或凯夫拉尔(Kevlar)，这是针对其重量的高拉伸强度而选择的，从而允许较高的旋转速度(即，高于10,000rpm)以及反应更灵敏的加速度。也可使用较高密度的材料，例如钢、黄铜、青铜、铅、和贫化铀；然而，应该理解，这些材料的拉伸强度并不允许较高的旋转速度，这在使飞轮的尺寸和质量最小化方面限制了其使用。
基于圆盘的几何形状，惯性力矩可从到变化。由于通过τ＝Idisk*ωdisk*ωaxis给出旋进陀螺仪输出的力矩的量，因此通过其他的输入保持恒定增加Idisk意味着更大的τ。因此，对于给定的尺寸和重量限制，τ可最大化，以维持车辆可用和高效。然而，由于当Idisk增加时，使陀螺仪旋转的马达需要变得效力更大以在可接受的时间内实现期望的ωdisk，因此Idisk和ωdisk有关。
在X-方向上的陀螺仪组件的输出力矩(τ)还取决于陀螺仪的角度位置当陀螺仪朝着竖直向下或向上旋转时，输出力矩(τ)最大化。随着ωaxis增加，陀螺仪圆盘的旋转方向将朝向竖直线或远离竖直线移动更快。如果车辆需要稳定更长的时间段，可使ωaxis最小化以使产生可接受的输出力矩(τ)的时间量最大化。
当车辆即将停止且具有低的行进速率时(且因此具有车轮的较低旋转速度)，通过方程式Mx＝r*f*Sin(θVehicle)而描述了由于车辆倾斜而在行进方向上施加的力矩，其中r为车辆的重心的高度，f为作用在车辆上的重力，和θVehicle为距离竖直线倾斜的量。通过方程式Mx＝Idisk*ωdisk*ωaxis*Sin(θdiskaxis)描述了飞轮旋进施加的力矩。对于以低速移动的标称500kg的车辆，具有重力中心高于地面0.75m且从竖直线倾斜30度的车辆施加的力矩为1131N-m。为了维持车辆稳定，因此需要1131N-m的反力矩，但是竖直移动车辆，则可需要额外的反力矩。为了抵消该倾斜运动，可需要通过旋进陀螺稳定器飞轮而引入力矩Mx。如果利用多个飞轮，则其力矩为累加的。
在不涉及稳定系统的故障的现实情形下，30度的倾斜超出人们能够处理的情况，因此具有竖直轴线的、大约7kg、半径为0.15m、惯性力矩为0.070kg-m-m、旋转速率为1570rad/s、和旋进速率为10.47rad/s的飞轮圆盘可施加1295N-m的力矩。在一个实施方式中，使用两个相同的飞轮，其在相反方向上旋转且在相反方向上旋进，从而在相同方向上施加力矩，但是两个飞轮一起的横摆力矩Mz将等于零。每个飞轮的尺寸可设计成使得在一个飞轮发生故障的情况下，剩下的飞轮在多数情况下可稳定车辆。因此，对于在上文描述的条件下具有横摇力矩1131N-m的标称的500kg的车辆，两个飞轮将产生2590N-m的反力矩，这足以维持或校正车辆的倾斜，并且如果一个飞轮发生部分故障，则其余的飞轮可提供足够的校正力矩以控制车辆使其处于安全的状况。飞轮也可为相同的尺寸或不同的尺寸。
因此，应该理解，至少根据上文的描述和下面的附图，本发明的实施方式描述了一种设备和方法，以通过多个传感器接收数据来指示描述车辆状态的信息。该信息可包括，但不限于，车辆框架的取向、车辆前轮相对于框架的取向、包括在车辆中的陀螺仪飞轮的取向和旋转速度(即与车辆框架联接的陀螺仪)、以及车辆的当前速度。所述陀螺仪可相对于车辆的前轮和后轮在纵向上对齐、相对于车辆的框架在横向上对齐(例如并排)、或相对于车辆的框架在高度方向上对齐(例如叠加)。
至少部分地基于从所述传感器接收的数据，可调节飞轮中的(至少)一个的取向或旋转速度。还基于改变车辆的速度(例如加速输入或刹车输入)或方向(例如方向盘输入)的输入，本发明的实施方式还可调节飞轮中的(至少)一个的取向或旋转速度。例如，当检测到加速输入时，本发明的实施方式可导致飞轮中的一个的旋转速度减少，或者当检测到刹车输入(即接合前轮制动器或后轮制动器的输入)时，本发明的实施方式可导致飞轮中的一个的旋转速度增加；如果确定车辆将进行转向(即检测到前轮相对于框架的取向)，则在转向期间，本发明的实施方式可调节飞轮中的至少一个的取向或旋转速度以在转向期间保持稳定性。
使用陀螺稳定器飞轮接收能量且将能量传输回驱动系统提供了这样的优点：较轻的重量和更高效的两轮车辆，该车辆可包括耐风雨的内部驾驶室，其具有斜靠的座位，具有高能源效率的再生制动系统和零排放推进系统。在车辆加速和车辆减速期间飞轮马达/飞轮发电机和驱动轮马达/驱动轮发电机之间的通过能量储存单元的能量传输维持高达95％的能源效率和车辆稳定性，从而大幅度地增加了车辆的范围。由于与传统的非稳定式车辆相比陀螺稳定器的电能需求增加，因此缺乏电能传输系统的陀螺仪稳定式车辆可能明显处于不利地位。
对于传统车辆，由于在频繁的刹车和加速中的能量损耗(包括来自输入到制动器中的能量以及使用于加速车辆但其后续刹车中损失的能量)，较低速度的城镇旅行通常为能量消耗最多的方式。因此，应该理解，通过提供这样的陀螺稳定式车辆，可实现能源效率的激增，该陀螺稳定式车辆可以两轮旅行、容纳斜倚的乘客装置、提供耐风雨的封闭的驾驶室的安全性、以及提供与传统轿车相似的驱动控制，并且通过将稳定式飞轮与再生制动系统整合，可较大程度地改善陀螺稳定式车辆的范围和效率。
以较低的速度，例如当车辆从停止开始加速时或减速至停止时，或以通常在城镇地区和堵塞交通情形下的速度，车辆的自稳定性能不足以维持车辆的直立取向。因此，在现有技术中驾驶者需要更多的技术操作不稳定的车辆，并且驾驶者可能需要使用他或她的自身身体的力量以在停止时使车辆平衡，减少了实用性等。
在低速时和停止时的陀螺稳定性还具有比高速时遇到的问题较简单的控制问题。通过万向架将陀螺稳定器安装在车辆上，利用万向电动机来旋进陀螺仪以形成对抗车辆滚动力矩的反力矩。通过安装在车辆上的惯性传感器和绝对位置传感器可测量车辆状态，该传感器可用于确定提供足够的反力矩以维持车辆直立的所需要的旋进量和速率。通常，陀螺稳定器的可恢复能力可使载有乘客的车辆稳定足够的时间量，例如可在停止灯或停止信号时面临陀螺稳定器的可恢复能力。在一个实施方式中，当车辆停止延长的时段或熄火时，车辆可通过自动布置的机械支架来支撑自身。
在一个实施方式中，陀螺稳定器飞轮和驱动轮与各自的电动机-发电机联接，该电动机-发电机可以马达模式操作以驱动其各自的载荷，或转至发电机模式以减缓旋转载荷且收集该能量用于传输给其他载荷。电源系统包括能量储存单元以提供电能的暂时储存，同时在驱动系统/制动系统和陀螺稳定器飞轮之间传输电能或例如当车辆停车时提供更长持续时间的储能。
系统控制器接收来自车辆状态传感器(惯性位置和绝对位置)、陀螺稳定器的状态传感器和其他参数的传感器的传感数据，以控制陀螺稳定器施加的校正力矩的量和时机。
陀螺稳定器包括至少一个与车辆联接的主动联接万向支架的飞轮。在一个实施方式中，陀螺稳定器包括独立地装有万向支架的第一反向旋转飞轮和第二反向旋转飞轮。每一飞轮可安装有在空挡位置的竖直旋转轴线和彼此平行的万向支架轴线。在该实施方式中，反向旋转飞轮在相对的方向上旋进，使得其反力矩为累加，而其在车辆上的横摆效应彼此抵消。
两个飞轮的使用也允许各个独立的飞轮制造得更紧凑，以安装在车辆的狭窄框架内。附加地，如果一个飞轮出现故障的情况下，第二个飞轮在车辆紧急停止期间可用于提供足够的稳定性以使其置于安全的状况下。如果出现飞轮故障或出现紧急平衡情形，使该配置与机械起落装置接合的故障自动保护方案可用于保持车辆直立且维持驾驶者的安全。
参照图1至图6，示出了包括再生电能的陀螺稳定式装置的本发明的实施方式，其安装在直排式两轮车辆100中。在该实施方式中，车辆100包括车辆框架110，包围车辆内部130的车辆主体120，和出入门140，该出入门140围绕铰接机构150旋转开放。斜靠的操作者座椅160可提供有包括转向单元170、加速器180和制动器190的驱动控制装置。在该实施方式中，所述驱动控制装置以与具有转向轮和踏板的传统汽车布局相似的布置进行布置。
在该实施方式中，车辆100还分别包括第一驱动轮200和第二驱动轮210。第一驱动轮电动发电机220通过驱动链条240与驱动轮200联接，第二驱动轮电动发电机230通过驱动链条250与驱动轮210联接。
在该实施方式中，陀螺稳定器260通过车辆框架110与车辆100联接。陀螺稳定器260可包括容纳飞轮270A和270B的第一陀螺组件和第二陀螺组件(所述陀螺组件类似于组件260A)，其在该实施方式中基本相同。应该理解，在其他实施方式中，第一和第二陀螺组件/飞轮可在尺寸和材料组成上不同。
第一陀螺组件260A，如图2中所示，包括飞轮270A、与飞轮270A联接的飞轮电动机-发电机280A、与飞轮270A联接的万向支架以及具有驱动部分310A和框架部分320A的旋进电动机300A，驱动部分310A与万向支架联接，框架部分320A与车辆100联接。在该实施方式中，旋进电动机-发电机框架部分320A通过安装支架330A与车辆100联接，该安装支架330A固定安装在车辆框架110上。
飞轮270A容纳在具有底部分340A和顶部分350A的陀螺仪壳体内，在该实施方式中该底部分340A和顶部分350A利用螺纹紧固件360A和定位销370A进行组装。陀螺仪壳体的顶部分350A包括：万向支架，该万向支架提供用于使陀螺组件旋进以形成可维持车辆100稳定性的反力矩的旋进轴线；以及用于支撑飞轮270A的轴承箱380A。电动机-发电机安装螺栓390A和飞轮安装螺栓400A设置成使飞轮电动机-发电机280A、飞轮270A和陀螺仪壳体联接。在该实施方式中，飞轮270A和飞轮电动机-发电机280A都容纳在陀螺仪的上外壳部分350A和下外壳部分340A，以易于维护和保护。理论上，只要陀螺稳定器260可联接至车辆框架110以将第一旋进电动机和第二旋进电动机(例如电动机300A)的反力矩传输给车辆框架110，其可定位于车辆上的任何地方。在该实施方式中，在标准条件下陀螺稳定器260定位于大约在车辆100的预期的垂直和纵向的重心(“CG”)。
参照图1，图3A至图3H和图4，提供能量储存单元410，其包括电池组420、电容器组430、和与电池组420、电容器组430、第一驱动轮电动机-发电机220和第二驱动轮电动机-发电机230、以及与第一飞轮电动机-发电机270A和第二飞轮电动机-发电机270B电气通信的电源转换电路。在一个实施方式中，电池组420包括定位在沿着车辆框架110分布的位置的电池单元，以分散重量且安装在车辆框架内。电池组420可通过插入位于停车场或车库的充电站或电墙出口进行充电，或一个或多个电池单元可物理交换以提供新鲜的电荷。
参照图1，图3A至图3H、图5和图6，示出了包括多个产生电子信号的传感器的控制系统。所述多个传感器可指示车辆100和陀螺稳定器260的至少绝对状态和惯性状态。该示例控制系统还包括与多个传感器、第一驱动轮电动机-发电机220、第二驱动轮电动机-发电机230、第一飞轮电动机-发电机280A、第二飞轮电动机-发电机280B、能量储存单元410、加速器180、制动器190和转向单元170电子通信的系统控制器440(通过现有技术中已知的任何通信方式)。在该实施方式中，多个传感器包括与每一飞轮联接的飞轮状态传感器560、车辆惯性状态传感器570、车辆绝对状态传感器580以及车辆状态传感器590。多个传感器包括：与车辆框架110联接的至少三轴定向传感器450，提供了指示车辆旋转和角度的数据；与车辆框架110联接的加速度计460，提供了指示车辆线性加速的数据；第一驱动轮速度传感器470；第二驱动轮速度传感器480；和车辆倾斜传感器490。在该实施方式中，倾斜传感器490包括测量从车辆100上的固定点到地面的距离的左侧和右侧红外线激光器，从而提供了用于原位校正定向传感器450的控制输入和用于定位传感器450的安全备份。系统控制器440接收来自多个传感器的数据，该数据指示第一飞轮倾斜角度和第二飞轮倾斜角度、倾斜速率(即旋进电动机300A和300B使飞轮270A和270B围绕其各自的万向支架旋转的速率)、和飞轮圆盘速率(即飞轮270A和270B的旋转速率)中的一个或多个。还可提供指南针传感器和全球定位系统(GPS)传感器。
参照图5和图6，系统控制器440接收来自多个传感器的输入，使用这些输入确定车辆100的实际取向和状态，并且将控制信号传输给旋进电动机300A和300B以旋转地使其驱动轴加速(即引起飞轮270A和270B分别围绕其各自的万向支架旋进)，从而形成传输到车辆框架110的反力矩以维持所期望的车辆角度。处理器550-553与指示各种部件和车辆100作为一个整体的状态的传感器电子通信。在一个实施方式中，插入了电子滤波器505A-D以减少系统噪音和放大传感器输出以供处理器使用。尽管出于示例的目的描述为独立的“处理器”，应该理解处理器550-553实际上可包括比示出的四个物理计算机处理器/磁芯更少或更多的处理器。
在一个实施方式中，在封闭模块中对惯性传感器570进行封装和处理以便输出为车辆的惯性状态。该惯性状态可利用安装在车辆100的外部的绝对传感器480和490进行校准以解释在惯性传感器测量中的不精确性。
陀螺状态处理器550可接收来自与每一飞轮联接的飞轮状态传感器560的输入。所述飞轮状态传感器产生指示重要测量的信号，该重要测量包括相对于车辆框架的飞轮倾斜角度、飞轮倾斜速率(即旋进电动机使飞轮围绕其旋进轴线旋转的旋转速率)、以及圆盘速率(即飞轮圆盘围绕其旋转轴线的旋转速度)。在一个实施方式中，陀螺状态处理器550使用该信息确定陀螺稳定器260A和260B施加到车辆100上的力矩的实际瞬时大小和方向、确定系统部件的安全、以及提供内部优化以允许陀螺稳定系统(即陀螺状态555)的扩展使用。
在一个实施方式中，车辆状态处理器551接收来自车辆惯性状态传感器570、车辆绝对状态传感器580、和车辆状态传感器590中的一个或多个的输入以确定车辆状态556。所述惯性状态传感器可产生指示车辆100的旋转加速和线性加速、速率和位置的电子信号。所述绝对状态传感器可产生指示车辆倾斜角度方向和大小、以及由包括电子指南针和GPS接收器的传感器提供的车辆行进方向、对地速度和绝对地理位置的电子信号。所述车辆状态传感器可产生电子信号，其指示驱动轮速度(即每一驱动轮200和210的旋转速度)、制动器状态(即车辆驱动轮200和210旋转速度减少的速率)、通过加速器180和制动器190至车辆的用户输入，并且转向传感器通过转向单元170提供有序的车辆转向半径。应该理解，所述用户输入可包括来自驾驶者、计算机程序等的输入。
车辆状态处理器551可确定当前条件下的车辆的合适倾斜角度610并且将其与车辆的当前倾斜角度620(包括滚动移动630)相比较，以确定车辆倾斜误差640。所述车辆倾斜误差可被陀螺控制处理器553使用以确定所需要的旋进轴线输入，从而产生足够的反力矩650以使车辆100恢复至所期望的倾斜范围610内或维持车辆100在所期望的倾斜范围610内。
因此，应该理解，至少根据上文描述和各个图，本发明的实施方式描述了一种车辆，其包括处理器、存储器、和控制模块(或逻辑)以至少部分基于当前或预期的车辆状态调节陀螺仪飞轮的取向或旋转速度。通过从多个包括在车辆中的传感器所接收的数据可确定所述车辆状态。所述传感器可检测车辆框架的取向(例如框架的倾斜角度)、前轮相对于框架的取向、陀螺仪飞轮的取向和旋转速度、以及车辆的速度。
控制模块还可接收输入以改变车辆的速度或方向，以及至少部分基于所接收的输入进一步调节飞轮的取向或旋转速度。控制模块还可至少部分基于接收的输入确定预期的车辆状态，以及至少部分基于所预期的车辆状态进一步调节飞轮的取向或旋转速度。例如，如果所接收的输入包括用于使前轮转向的指令，则所预期的车辆状态可被确定为转向，并且控制模块可在转向期间调节飞轮的取向或旋转速度以维持车辆稳定性。
本发明的实施方式还可包括在图3A-H和图4中所示的储能单元。在一个实施方式中，储能单元410包括电池组420、储能电容器组430、和转换电路，其供给电能以及提供用于储存和传输由旋转部件经由电动机-发电机产生电能的机构。通过再生制动而产生的电流可超过电池组420的能力以吸收能量，而没有损坏。应该理解，电容器能够更好地处理这类大的电涌，因此在一个实施方式中电池组420通过电能转换电路选择性地布置成与储能电容器组430和电动机-发电机220、230、280A和280B并行电子通信(具有公共电子接地系统)。以这种方式，储能电容器组430作为电子缓冲器以暂时储存来自系统部件的、超过电池容量的电源电涌，以及将该储存的电能直接或通过给电池组充电而分配至机动化的部件。
与飞轮电动机-发电机280A和280B和驱动轮电动机-发电机220和230电子通信的储能单元410，可用于给车辆100提供电能，以及使用电动机-发电机系统在飞轮270A和270B与驱动轮200和210之间传输能量。电动机-发电机280A和280B以及电动机-发电机220和230可通过本领域中已知的机械的、液压的、电磁的或其他合适的联接机制，分别与飞轮270A和270B联接或与驱动轮200和210联接。
在较低的车辆速度时，陀螺稳定器飞轮270A和270B可高速旋转以在旋进期间提供足够的惯性力矩，以维持车辆稳定性。当车辆100增加速度时，可需要来自陀螺稳定器飞轮270A和270B的较小的惯性力矩以维持车辆稳定性，从而使飞轮270A和270B减速旋转(至低速或允许停止)。该能量可恢复且传输至第一驱动轮电动机-发电机220和第二驱动轮电动机-发电机230以用于推进。相似地，当车辆100通过制动系统的啮合而减速时，用于制动车辆100的能量可恢复并传输至陀螺稳定器飞轮270A和270B以使其旋转至更高的速度，从而当第一驱动轮200和第二驱动轮210减速时给车辆100提供稳定性。具有箭头的线A1、A2、B1、B2、C1和C2示出在上述条件期间主要的能量流动路径和方向。当线A1和线A2以顺时针方向示出时，该示出表示驱动电动机-发电机220和230为电动机模式，以及类似的，当线A1和线A2以逆时针方向示出时表示发电机模式。
在图3A中，车辆100呈现为以大约55mph(90kph)的速度进行行驶。在该实施方式中，飞轮270A和270B具有非常低的旋转速度，基本上为空转速度。电流从能量储存单元电池组420流至以电动机模式操作的第一驱动轮电动机-发电机220和第二驱动轮电动机-发电机230。
在图3B中，指令车辆100减速至大约35mph(56kph)。在该实施方式中，系统控制器440接收制动输入(来自操作者或来自自动信号)，从而导致第一驱动轮电动机-发电机220和第二驱动轮电动机-发电机230转变到发电机模式，从而产生电流；以及导致第一飞轮电动机-发电机280A和第二飞轮电动机-发电机280B转变到电动机模式，从而吸收电流且使第一飞轮270A和第二飞轮270B旋转至较低的转速。系统控制器440使电能转换电路将产生的电流引导通过电容器组到达第一飞轮电动机-发电机和第二飞轮电动机-发电机。(如果真的如此)如果第一驱动轮200和第二驱动轮210的旋转速率仍显著地促进车辆稳定性，则第一飞轮270A和第二飞轮270B可能仅加速至低速，因此从陀螺稳定性单元260A和260B中只需要相对少量的附加的反力矩。
在图3C中，指令车辆100从35mph(56kph)减速到大约15mph(24kph)。系统控制器440接收制动输入以及使第一驱动轮电动机-发电机220和第二驱动轮电动机-发电机230转变到发电机模式(或者保持在发电机模式)从而产生电流，以及使第一飞轮电动机-发电机280A和第二飞轮电动机-发电机280B转变到电动机模式(或者保持在电动机模式)从而吸收电流且使第一飞轮270A和第二飞轮270B加速至中等转速。系统控制器440使电源转换电路引导所产生的电流穿过电容器组430至第一飞轮电动机-发电机280A和第二飞轮电动机-发电机280B。在该实施方式中，当第一驱动轮200和第二驱动轮210的较低转速不足以维持车辆稳定性时，第一飞轮270A和第二飞轮270B加速至中等转速。
在图3D中，车辆100停止。系统控制器440使第一飞轮270A和第二飞轮270B增加至高的转速(在该实施方式中大约10,000rpm，文中指“翱翔速度”)，因为车辆稳定性完全取决于旋进陀螺稳定单元260A和260B产生的反力矩。第一飞轮电动机-发电机280A和第二飞轮电动机-发电机280B为电动机模式并且吸收来自能量储存单元410的电流；在一个实施方式中，最初吸收来自电容器组430的电流直至电容器组的电荷消耗至预定的水平，然后吸收来自电池组420的电流。
在图3E中，车辆100从停止开始驱动。在该实施方式中，系统控制器400使驱动轮电动机-发电机220和230转变至电动机模式以使车辆提速，并且使飞轮电动机-发电机280A和280B转变至发电机模式以使飞轮270A和270B减速。当车辆100加速且旋转的驱动轮200和210更多地促进车辆稳定性时，允许第一飞轮270A和第二飞轮270B在发电机模式下利用其电动机-发电机旋转减慢。系统控制器440使电能转换电路引导在旋转减慢期间飞轮电动机-发电机280A和280B产生的电流流至驱动轮电动机-发电机220和230。如果车辆100没有加速至足够的速率以显著促进车辆稳定性，则飞轮270A和270B可继续高速旋转并且继续吸收来自储能单元410的电流。
在图3F中，车辆100持续加速至大约15mph(24kph)。在该实施方式中，系统控制器440维持驱动轮电动机-发电机220和230在电动机模式以使车辆100加速，并且维持飞轮电动机-发电机280A和280B在发电机模式以持续使飞轮270A和270B旋转减慢。当车辆100加速且开始维持其稳定性时，允许第一飞轮270A和第二飞轮270B在发电机模式下利用其电动机-发电机280A和280B旋转减慢。系统控制器440使电能转换电路引导飞轮电动机-发电机280A和280B在旋转减慢期间产生的电流通过电容器组430流至驱动轮电动机-发电机220和230。
在图3G中，车辆100持续加速至大约35mph(56kph)。在该实施方式中，第一飞轮270A和第二飞轮270B持续减慢至较低转速并且维持在该较低速度直至指令的车辆速度变化需要不同的飞轮转速。系统控制器440使电能转换电路对准电池组420以与电容器组430平行，以便电池组420可提供用于驱动轮200和210的主要电能。
在图3H中，示出了在停车模式或长期停止时的车辆100。当陀螺稳定单元260A和260B不能够在停车时维持车辆稳定时-由于陀螺稳定单元故障或者由于通常指示的关闭以节省电能时，在该实施方式中包括的机械支撑机构500(本文中指“起落装置”)可延伸以支撑车辆100。起落装置500包括与车辆框架110联接且与地面接触的基座部分510、以及延长器机构520，当车辆100利用陀螺稳定单元260A和260B时该延长器机构使基座部分510旋出以启用或撤回基座部分510。在一个实施方式中，当飞轮转速低至维持车辆100的稳定性所需的最小速度时，或者当车辆传感器指示陀螺稳定单元260A和260B出现故障不可以维持车辆稳定性并且车辆100停止时，还可自动启用起落装置500。第一飞轮270A和第二飞轮270B可维持最低空转速度旋转以使启动时间最小化，或者允许第一飞轮270A和第二飞轮270B在发电机模式下利用电动机-发电机280A和280B滑行至停止以将任何剩余的能量收集到电池组420中。
再次启动时，飞轮电动机-发电机280A和280B可转变至电动机模式，并且储能单元410可提供电能至飞轮电动机-发电机280A和280B以加速旋转至“翱翔速度”。作为示例，在该实施方式中对于具有单个乘坐者的标准的载荷环境，翱翔速度大约为10,000rpm。在翱翔速度下通过第一飞轮270A和第二飞轮270B，系统控制器440可提升起落装置500且车辆100将保持稳定。系统控制器440将导致陀螺稳定单元260A和260B使第一飞轮270A和第二飞轮270B围绕其各自万向支架旋进以补偿不平衡的静止载荷和动态载荷，同时维持车辆100直立。
因此，应该理解，至少根据上文描述以及各自的特征，本发明的实施方式描述了一种系统，该系统包括：驱动轮电动机-发电机，用于使能量传输至车辆的驱动轮并且从该驱动轮传输出；飞轮电动机-发电机，用于使能量传输至包括在车辆的陀螺稳定器中的飞轮并且从该飞轮传输出；包括电池的电容器组；以及电能控制器(例如实现为模块或逻辑)。所述电能控制器可使能量从飞轮电动机-发电机传输至电容器组以响应于检测到增加车辆速度的输入，以及使能量从驱动轮电动机-发电机传输至电容器组以响应于检测到降低车辆速度的输入。
所述电能控制器还可使能量从电容器组传输至驱动轮电动机-发电机以响应于检测到增加车辆速度的输入，以及使能量从电容器组传输至飞轮电动机-发电机以响应于检测到减低车辆速度的输入。
所述电能控制器还可将驱动轮电动机不需要的能量传输至电容器组或电池以响应检测到增加车辆速度的输入，以及将飞轮不需要的能量传输至电容器组或电池以响应检测到降低车辆的速度的输入。
本发明的实施方式还描述了，如果用以降低车辆速度的输入包括用以接合车辆的制动系统的输入时，则制动系统可产生从驱动轮电动机-发电机可传输的能量。
至少部分基于车辆的速度是否将影响车辆的稳定性，所述电能控制器的实施方式还可将能量从电容器组传输至飞轮电动机-发电机。例如，电能控制器可确定增加车辆速度的输入将不会影响车辆稳定性，以及响应于确定增加车辆速度的输入不会影响车辆稳定性而将能量从电容器组传输至飞轮电动机-发电机。所述电能控制器的实施方式还可确定，降低车辆速度的输入将影响车辆稳定性，以及响应于确定降低车辆速度的输入将影响车辆稳定性而将能量从电容器组传输至飞轮电动机-发电机。
本发明的实施方式还描述了一种控制陀螺仪的飞轮且以电动机模式和发电机模式运行的飞轮电动机-发电机控制模块(或逻辑)。电动机模式包括将电流传输至陀螺仪以改变飞轮的取向或飞轮的转速，以及发电机模式包括将来自陀螺仪的飞轮产生的电流传输出。相似地描述驱动轮电动机-发电机控制模块(或逻辑)，所述模块控制车辆的前轮或后轮且以电动机模式和发电机模式运行。电动机模式包括将电流接收至各个轮的转速，而发电机模式包括将各个轮产生的电流传输出。
上文所提到的作为本文所述的过程、服务器或工具的各种部件可为执行所述的功能的装置。本文所描述的每一部件包括软件或硬件、或者两者的组合。该部件可实现为软件模块、硬件模块、专用硬件(例如专用硬件、ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理器)等)、嵌入式控制器、硬接线电路等。
软件内容(例如数据、指令或配置)可通过包括计算机可读取存储介质的一件制成品来提供，其提供了代表可被执行的指令的内容。该内容可导致计算机执行本文所描述的各种功能/操作。计算机可读取存储介质包括提供(即，存储和/或发送)具有计算机(例如计算设备、电子系统等)可访问的形式的信息的任何机制，例如可擦写/不可擦写的介质(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光盘存储介质、闪存装置等)。内容可为直接可执行的(“对象”或“可执行”的形式)、源代码或差分符号(“Δ”码或“插入”码)。计算机可读取存储介质还可包括从其可下载内容的存储器或数据库。计算机可读取存储介质还可包括在出售或配送时具有存储在其上的内容的装置或产品。因此，配送具有存储的内容的装置，或者提供内容以在通信介质上进行下载，可被理解为提供了具有本文中所描述的这类内容的一件制成品。
本领域技术人员应认识到，可对优选的实施方式进行许多修改和变化，而不会脱离所要求保护的发明的范围。当然，应当理解，本发明在各个方面的修改对于本领域技术人员显而易见，一些修改只有经过研究后才会显而易见，而其他修改为常规机械、化学和电子设计的内容。优选的实施方式中没有一个特征、功能或性能是必须的。也可以存在其他实施方式，其特定的设计取决于特定的应用。因此，本发明的范围不应当被本文所描述的特定实施方式所限定，而是仅由附属的权利要求及其等同内容限定。
尽管以特定的序列或顺序示出了多个方法和过程，但除非另有说明，操作的顺序可进行修改。因此，上文所描述的方法和过程应当理解为仅作为示例，且可以不同的顺序执行，并且一些操作可并行执行。附加地，在本发明的各种实施方式中可省略一个或多个操作，因此，在每一个执行方式中并非需要所有的操作。其他工序流程也是可能的。

Claims (13)

1.一种车辆，所述车辆包括：
框架；
与所述框架联接的前轮和后轮；
第一陀螺仪和第二陀螺仪，所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪均与所述框架联接，并且与所述前轮和所述后轮对齐，各所述陀螺仪均包括飞轮；
多个传感器，所述传感器用于检测所述框架的取向、所述前轮相对于所述框架的取向、所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮的取向和旋转速度、以及所述车辆的速度；以及
电子控制系统，所述电子控制系统用于：
至少部分基于来自所述多个传感器的数据和改变所述车辆的速度和方向中的至少之一的输入来确定所述车辆的倾斜度，并且对所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮的旋进进行调节，使得所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮产生反旋进，以在车辆倾斜期间产生控制力矩；以及
通过至少部分基于来自所述多个传感器的数据调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮围绕与所述车辆的所述前轮的旋转轴线垂直的旋转轴线的倾斜的旋转速率，来调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的输出力矩，其中，调节所述倾斜的旋转速率包括响应于所述车辆的倾斜度的确定使所述倾斜的旋转速率最小，以在所述车辆倾斜期间在延长的时段使用所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的输出力矩。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述改变所述车辆的方向的输入包括改变所述前轮相对于所述框架的取向的输入，并且所述电子控制系统用于调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮的取向和旋转速度中的至少之一，以在转向期间保持稳定性。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中，当改变所述车辆的速度的所述输入包括增加所述车辆的速度的输入时，所述电子控制系统用于减少所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮的速度。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中，还包括用于减少所述前轮和所述后轮中的至少之一的速度的制动系统，其中，所述用于改变所述车辆的速度的输入包括接合所述制动系统的输入，所述电子控制系统还用于增加所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮的速度，以增加稳定性影响。
5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮相对于彼此在相对的方向上旋转。
6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪还相对于所述车辆的框架在高度方向上对齐。
7.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮均包括碳纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、钢、黄铜、青铜、铅、和贫化铀中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪分别通过第一组万向架和第二组万向架与所述框架联接。
9.一种用于控制车辆的稳定性的控制系统，所述控制系统包括：
处理器；
存储器；以及
控制模块，所述控制模块存储在所述存储器中且通过所述处理器执行以下操作：
接收来自多个传感器的数据，以指示车辆的框架的取向、所述车辆的前轮相对于所述框架的取向、第一飞轮和第二飞轮中的每一个的取向和旋转速度、以及所述车辆的速度，其中，所述第一飞轮和所述第二飞轮分别包括在第一陀螺仪和第二陀螺仪中，联接至所述框架并且与所述车辆的前轮和所述车辆的后轮对齐；
至少部分基于来自所述多个传感器的所接收的数据和改变所述车辆的速度和方向中的至少之一的输入来确定车辆的倾斜度；以及
对所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮的旋进进行调节，使得所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的所述飞轮产生反旋进，以在所述车辆倾斜期间产生控制力矩，以及
通过至少部分基于从所述多个传感器接收的数据调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮围绕与所述车辆的所述前轮的旋转轴线垂直的旋转轴线的倾斜的旋转速率，来调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的输出力矩，其中，调节所述倾斜的旋转速率包括响应于所述车辆的倾斜度的确定使所述倾斜的旋转速率最小，以在所述车辆倾斜期间在延长的时段使用所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的输出力矩。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述控制模块接收改变所述车辆的方向的输入包括接收改变所述前轮相对于所述框架的取向的输入，以及其中，所述控制模块调节所述第一陀螺仪和所述第二陀螺仪的至少一个所述飞轮的取向和旋转速度中的至少之一以在转向期间保持稳定性。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中，当改变所述车辆的速度的所述输入包括增加所述车辆的速度的输入时，所述控制模块还减小所述第一飞轮和所述第二飞轮的速度。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括减小所述前轮和所述后轮的至少之一的速度的制动系统，其中改变所述车辆的速度的输入包括接合所述制动系统的输入；并且，所述控制模块还用于增加所述第一飞轮和所述第二飞轮的速度，以增加稳定性影响。
13.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括：驱动轮电动机-发电机控制模块，所述驱动轮电动机-发电机控制模块用于控制所述车辆的前轮和后轮中的至少之一且在电动机模式和发电机模式下操作，其中，所述电动机模式包括将电流接收至所述车辆的前轮和后轮中的各个轮，并且，所述发电机模式包括传输所述车辆的前轮和后轮中的各个轮产生的电流。
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