CN103600801A - 基于红外传感器的转向控制系统及其自平衡两轮车 - Google Patents

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莫锦秋
许恒
段仁全
陈贵顺
吴桐
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上海交通大学
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    • B62K11/00Motorcycles, engine-assisted cycles or motor scooters with one or two wheels
    • B62K11/007Automatic balancing machines with single main ground engaging wheel or coaxial wheels supporting a rider

Abstract

本发明提供了一种基于红外传感器的转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器相连接,用于分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息。同时提供了一种基于红外传感器转向控制系统的自平衡两轮车,包括车体以及设置于车体上的车体控制系统和转向控制系统,还包括前后倾角测量组件。本发明提供减小了自平衡两轮车的空间,节省车体的存储空间,同时,通过稳定灵巧的转向装置,来控制自平衡两轮车的方向,能够释放操作者的双手,提升自平衡两轮车的操作体验和驾驶乐趣,并且使两轮车的转向更加自然。

Description

基于红外传感器的转向控制系统及其自平衡两轮车

技术领域

[0001] 本发明涉及自平衡两轮车技术领域,具体是一种基于红外传感器的转向控制系统及其自平衡两轮车。

背景技术

[0002]自在2001年的年末Segway作为一种新型的交通工具诞生了,其主要原理为我们所知的“动平衡原理”。Segway包含一个可站立的自平衡平台,一个可进行转向的手杆装置。同时Segway配备大量的传感器和相应的执行器,从而使得Segway的平衡有很好的保障。鉴于平衡车的简便和易操作性。目前多数自平衡两轮车转向机构的设计上采用可以左右摆动的把手实现转向功能。其把手连杆的底部相对车身底盘产生相对转动,从而输出信号给左右轮电机,完成转向的效果。

[0003] 授权公告号为CN201597703U的实用新型专利公开了一种用于自动平衡两轮车上的转向机构。包括底板以及通过支撑架与其固定连接的水平转轴,水平转轴的一端固定链接有操作杆,水平转轴的另一端设有电位器,在水平转轴上固定有沿轴线对称的、与操纵杆锤子的承力支架,在承力支架两侧的下方或上方安装有弹性体。操作时,操作者通过转动操作杆,控制水平转轴的转动,转动的方向和大小通过电位器变成指令,实现小车的方向转动。

[0004] 申请公布号为CN102849156A的发明专利公布了一种自平衡两轮车转向装置。包括:液压管道组件,其设置于车体内,包括水平管道以及分别位于该水平管道两侧、并且与该水平管道相连通的两个竖直管道,两个竖直管道端部有上下活动的活塞,使液体处于密闭状态,两个活塞置于踏板下;唯一传感器组件,包括运动元件和运动信号接收信号;转向控制系统,用于接收位置信号并控制自平衡两轮车的转向。

[0005] 当今的自平衡两轮车的转向装置主要是通过手操控手把来实现两轮车的转向装置。但是可以适应不同操作者的连接杆设计比较复杂,同时也大大增加了两轮车的体积,降低了两轮车的轻便性。现有的无把的自平衡两轮车的转向机构相对复杂,使得两轮车的结构设计较难,两轮车维修保养不方便;同时,也不利于操作者日常对两轮车的维护和小问题的拆卸维修。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术中存在的上述不足,提供了一种基于红外传感器的转向控制系统及其自平衡两轮车。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的。

[0008] 根据本发明的一个方面,提供了一种基于红外传感器的转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器相连接,用于分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息。[0009] 优选地,所述弹簧组包括平均分布的4根弹簧。

[0010] 根据本发明的另一个方面,提供了一种基于红外传感器转向控制系统的自平衡两轮车,包括车体以及设置于车体上的车体控制系统和转向控制系统,其中:

[0011]-车体,包括踏板和车体底板,左车轮和右车轮分别设置于车体底板的左右两侧;

[0012]-转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述弹簧组支撑于踏板和车体底板之间,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器组相连接,并分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息;

[0013]-中央控制组件,包括电源管理模块、左控制电机、右控制电机以及中央处理单元,所述电源管理模块设置于踏板和车体底板之间,用于提供电力,所述左控制电机和右控制电机分别与左车轮和右车轮连接,所述中央处理单元用于接收转向分析系统的转向控制指令,并将控制信号发送至左控制电机和右控制电机,从而控制左车轮和右车轮的运动。

[0014] 优选地,所述自平衡两轮车,还包括前后倾角测量组件,所述前后倾角测量组件包括陀螺仪组,所述陀螺仪组水平固定于踏板的上表面,并随车体转动,从而得到车体的中心在前后方向上的倾斜角度,进而得到前进后退信号,并将前进后退信号传送至中央处理单

J Li ο

[0015] 优选地,所述陀螺仪组包括两个单轴陀螺仪,两个单轴陀螺仪左右对称设置于踏板的上表面。

[0016] 优选地,所述弹簧组包括4根弹簧,4根弹簧平均分布于踏板和车体底板之间。

[0017] 优选地,所述转向分析系统获得转向控制指令的具体方法为:

[0018]-当操作者没有站在车体上时,踏板通过弹簧组的支撑保持在平衡位置上;

[0019]-当操作者站立在车体上时,设踏板左边的压力F1,踏板右边的压力F2。对应的,红外传感器组中位于踏板左侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H1,红外传感器组中位于踏板右侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H2 ;两侧的红外传感器得出的距离差的正负和大小通过中央控制单元的算法计算,得到车体的转动方向和转动速度大小的信息,进而通过左控制电机和右控制电机使小车达到操作者的控制要求;设一个阈值K,当|H1-H2| > =K时,则认为操作者向车体发出了转向的命令;当(H1-H2) > O时,操作者对车体发出的是向右转的命令;当(H1-H2) < O时,操作者向车体发出向左转的命令。

[0020] 优选地,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度呈正相关关系。

[0021] 优选地,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度为线性关系。

[0022] 本发明提供的基于红外传感器的转向控制系统及其自平衡两轮车,减小了自平衡两轮车的空间,节省车体的存储空间,同时,通过稳定灵巧的转向装置,来控制自平衡两轮车的方向,能够释放操作者的双手,提升自平衡两轮车的操作体验和驾驶乐趣,并且使两轮车的转向更加自然。

附图说明

[0023] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:[0024] 图1为本发明的自平衡两轮车控制框图;

[0025] 图2为本发明的自平衡两轮车结构正视图;

[0026] 图3为本发明的自平衡两轮车结构立体图;

[0027] 图中:1为踏板,2为电源管理模块,3为红外传感器组,4为控制电机,5为车轮,6为弹簧组,7为陀螺仪组,8为车体底板。

具体实施方式

[0028] 下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。

[0029] 实施例1

[0030] 本实施例提供了 一种基于红外传感器的转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器相连接,用于分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信

肩、O

[0031] 进一步地,所述弹簧组包括平均分布的4根弹簧。

[0032] 实施例2

[0033] 请同时参阅图1至图3。

[0034] 本实施例提供了一种基于红外传感器转向控制系统的自平衡两轮车,包括车体以及设置于车体上的车体控制系统和转向控制系统,其中:

[0035]-车体,包括踏板和车体底板,左车轮和右车轮分别设置于车体底板的左右两侧;

[0036]-转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述弹簧组支撑于踏板和车体底板之间,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器组相连接,并分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息;

[0037]-中央控制组件,包括电源管理模块、左控制电机、右控制电机以及中央处理单元,所述电源管理模块设置于踏板和车体底板之间,用于提供电力,所述左控制电机和右控制电机分别与左车轮和右车轮连接,所述中央处理单元用于接收转向分析系统的转向控制指令,并将控制信号发送至左控制电机和右控制电机,从而控制左车轮和右车轮的运动。

[0038] 进一步地,本实施例还可以包括前后倾角测量组件,所述前后倾角测量组件包括陀螺仪组,所述陀螺仪组水平固定于踏板的上表面,并随车体转动,从而得到车体的中心在前后方向上的倾斜角度,进而得到前进后退信号,并将前进后退信号传送至中央处理单元。

[0039] 进一步地,所述陀螺仪组包括两个单轴陀螺仪,两个单轴陀螺仪左右对称设置于踏板的上表面。

[0040] 进一步地,所述弹簧组包括4根弹簧,4根弹簧平均分布于踏板和车体底板之间。

[0041] 进一步地,所述转向分析系统获得转向控制指令的具体方法为:

[0042]-当操作者没有站在车体上时,踏板通过弹簧组的支撑保持在平衡位置上;

[0043]-当操作者站立在车体上时,设踏板左边的压力F1,踏板右边的压力F2。对应的,红外传感器组中位于踏板左侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H1,红外传感器组中位于踏板右侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H2 ;两侧的红外传感器得出的距离差的正负和大小通过中央控制单元的算法计算,得到车体的转动方向和转动速度大小的信息,进而通过左控制电机和右控制电机使小车达到操作者的控制要求;设一个阈值K,当|H1-H2| SK时,则认为操作者向车体发出了转向的命令;当(H1-H2) > O时,操作者对车体发出的是向右转的命令;当(H1-H2) < O时,操作者向车体发出向左转的命令。

[0044] 进一步地,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度呈正相关关系。

[0045] 进一步地,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度为线性关系。

[0046] 本实施例具体为,

[0047] 本实施例提供的自平衡两轮车,当操作者对踏板的左右两边施加不同的驱动力时,通过本发明设计的自平衡两轮车的转向装置,可以实现两轮车转向功能的实现。

[0048]自平衡两轮车整体由电源管理模块来提供所需的电力,红外传感器组中的每一个传感器均为发送接收一体化设计。陀螺仪组7水平固定在车体底板8上面,并随着人和车体一起轻微转动。操作者在踏板I的左右两端施加不同的驱动力,则踏板I在四根弹簧6的支撑下会与车体底板8产生不同的距离,通过接受发送一体化的红外传感器检测到两侧的距离差数据,并通过转向分析系统进行分析。中央处理单元接收到转向分析系统的距离差数据分析结果,对车轮输出转动方向和转动速度大小的命令,左控制电机和右控制电机实现两车轮的转向。

[0049] 当操作者没有站在两轮车上时,车体踏板I通过四个角的弹簧6保持在平衡位置上。当有操作者站立在两轮车上时,设踏板左边的压力F1,踏板右边的压力F2。对应的由左边的红外传感器3读出的踏板I和底板8的距离为Hl,对应的由右边的红外传感器3读出的踏板I和底板8的距离为H2。两个红外传感器3得出的距离差的正负和大小通过中央控制器的算法计算,可以得到小车的转动方向和转动速度大小的信息,从而通过控制电机使小车达到操作者的控制要求。设一个阈值K。在本发明中,当|H1-H2|≥K时,则认为操作向小车发出了转向的命令。具体的,在本发明的转向装置中,当(H1-H2) > O时,操作者对小车发出的是向右转的命令;(H1-H2) < O时,操作者向小车发出向左转的命令。(H1-H2)的绝对值的大小与小车的转向速度呈正相关关系。在发明专利中,(H1-H2)的绝对值的大小与两轮车的转向速度为线性关系。操作者下车之后,踏板I在弹簧6的作用力下回到平衡位置。

[0050] 本实施例提供的自平衡两轮车,可以省去车把组件,从而缩小自平衡两轮车的整体的体积,减少存储空间,而且搬运更加方便;红外测距装置的加入大大的简化的无把两轮自平车的机械结构,降低两轮自平衡车的维修、保养难度;同时,由于红外测距装置的加入并不需要自平衡车的结构上做出特定的设计,利于设计者对两轮自平车的外观等做出人性化的设计,增加操作者的兴趣和操作体验。;因此,本发明可以使得自平衡两轮车的转向操作更加方便、快捷、自然。

[0051] 在本实施例中,

[0052] 踏板通过刚度较高的弹簧保持在初始水平位置;

[0053] 通过红外传感器来检 测人站立的踏板和车体底板的距离;由两者距离差来实现转向功能。

[0054] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于红外传感器的转向控制系统,其特征在于,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器相连接,用于分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息。
2.根据权利要求1所述的基于红外传感器的转向控制系统,其特征在于,所述弹簧组包括平均分布的4根弹簧。
3.一种基于红外传感器转向控制系统的自平衡两轮车,其特征在于,包括车体以及设置于车体上的车体控制系统和转向控制系统,其中: -车体,包括踏板和车体底板,左车轮和右车轮分别设置于车体底板的左右两侧; -转向控制系统,包括弹簧组、红外传感器组以及转向分析系统,所述弹簧组支撑于踏板和车体底板之间,所述红外传感器组用于采集弹簧组的压缩距离,所述转向分析系统与红外传感器组相连接,并分析红外传感器组采集的压缩距离数据,进而获得转向控制信息; -中央控制组件,包括电源管理模块、左控制电机、右控制电机以及中央处理单元,所述电源管理模块设置于踏板和车体底板之间,用于提供电力,所述左控制电机和右控制电机分别与左车轮和右车轮连接,所述中央处理单元用于接收转向分析系统的转向控制指令,并将控制信号发送至左控制电机和右控制电机,从而控制左车轮和右车轮的运动。
4.根据权利要求3所述的自平衡两轮车,其特征在于,还包括前后倾角测量组件,所述前后倾角测量组件包括陀螺仪组,所述陀螺仪组水平固定于踏板的上表面,并随车体转动,从而得到车体的中心在前后方向上的倾斜角度,进而得到前进后退信号,并将前进后退信号传送至中央处理单元。
5.根据权利要求4所述的自平衡两轮车,其特征在于,所述陀螺仪组包括两个单轴陀螺仪,两个单轴陀螺仪左右对称设置于踏板的上表面。
6.根据权利要求3或4所述的自平衡两轮车,其特征在于,所述弹簧组包括4根弹簧,4根弹簧平均分布于踏板和车体底板之间。
7.根据权利要求3或4所述的自平衡两轮车,其特征在于,所述转向分析系统获得转向控制指令的具体方法为: -当操作者没有站在车体上时,踏板通过弹簧组的支撑保持在平衡位置上; -当操作者站立在车体上时,设踏板左边的压力F1,踏板右边的压力F2。对应的,红外传感器组中位于踏板左侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H1,红外传感器组中位于踏板右侧的红外传感器读出的踏板和车体底板的距离为H2 ;两侧的红外传感器得出的距离差的正负和大小通过中央控制单元的算法计算,得到车体的转动方向和转动速度大小的信息,进而通过左控制电机和右控制电机使小车达到操作者的控制要求;设一个阈值K,当|H1-H2| SK时,则认为操作者向车体发出了转向的命令;当(H1-H2) >0时,认为操作者对车体发出的是向右转的命令;当(H1-H2) <0时,认为操作者向车体发出向左转的命令。
8.根据权利要求7所述的自平衡两轮车,其特征在于,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度呈正相关关系。
9.根据权利要求8所述的自平衡两轮车,其特征在于,所述|H1-H2|的大小与自平衡两轮车的转向速度为线性关系。
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