CN103612695B - 一种双控型两轮自平衡智能车 - Google Patents

Abstract

一种双控型两轮自平衡智能车，其包括有机械结构和安装于该机械结构上的操控系统，该操控系统以只通过双手进行的手控操作方式或者只通过身体的协调活动进行的体控操作方式来控制智能车实现在竖直方向小倾角范围内的平稳运行；其中，机械结构包括车架和座椅式车体，操控系统包括操控方式切换开关、控制盒体、相互独立的手控部件和体控部件、核心控制芯片和驱动器。本发明实现了双重独立操控方式下两轮自平衡智能车的直立、前进、后退以及转弯功能，具有操控方便舒适、稳定性好和行进稳定灵活的优点，适合正常人士以及双手正常但身体活动障碍和双手活动障碍但身体正常的残疾人士。

Description

一种双控型两轮自平衡智能车

技术领域

本发明涉及一种动态平衡机器人，具体涉及一种依赖自身位姿信息来控制行走的双控型两轮自平衡智能车，属于机电一体化技术领域。

背景技术

两轮自平衡智能小车是基于倒立摆的原理来实现动态平衡的。当智能车处于水平位置时，此时车体处于一种平衡状态，则控制系统对其位姿不进行调整，若此时人为地加入转向信号，则智能车将在原地进行零半径转弯；然而，当智能车的传感器组件检测到车体重心前倾或者人为给出速度信号以后，控制器就会发出控制信号，驱动智能车向前或向后行走，从而使得整个车体始终处于一个动态平衡中。智能车在检测到倾角信号和人为给出的速度信号以及转向信号后，会进行信号的叠加，然后发出脉冲信号控制车体的移动，从而实现新的动态平衡，智能车的行进也正是在这种动态平衡中实现的。

目前的两轮自平衡智能车大多采用站立式、单一的操控方式，有少部分采用了自行车座式的布局，以上两者均是通过人的前倾后仰来控制智能车的重心往前或往后偏，从而实现智能车的前进和后退。这种操控方式对于具有身体或双手活动障碍的人群来说是很困难的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的操控方式单一的不足，提供一种双控型两轮自平衡智能车，其具有手控和体控两套独立的控制回路，除了适合正常人士使用以外，还能够分别适用于双手活动灵活但身体活动障碍和双手活动障碍但身体其他部位活动灵活的残疾人士。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双控型两轮自平衡智能车，其包括有机械结构和安装于该机械结构上的操控系统，所述操控系统以只通过双手进行的手控操作方式或者只通过身体的协调活动进行的体控操作方式来控制所述智能车实现在竖直方向小倾角范围内的平稳运行。

进一步地，所述的机械结构包括车架和座椅式车体；所述车架包括底盘、左减速电机、右减速电机、左车轮和右车轮，其中，左减速电机和右减速电机固定在底盘上，左车轮和右车轮分别通过左减速电机和右减速电机与底盘连接；所述座椅式车体包括二导轨基座、左导轨、右导轨、左滑块、右滑块、横梁、座椅支撑架、扭簧、座椅、左扶手架、右扶手架、左扶手和右扶手，其中，左导轨和右导轨分别通过二导轨基座固定连接在所述底盘上，左滑块和右滑块分别与左导轨和右导轨连接形成一个自由度的滑动副，横梁水平地固定连接于左滑块和右滑块上，座椅支撑架固定于横梁上，座椅可旋转地置于座椅支撑架上，扭簧安装在座椅支撑架的顶部，左扶手通过左扶手架固定连接在左滑块上，右扶手通过右扶手架固定连接在右滑块上。

进一步地，在所述的手控操作方式下，所述左滑块和右滑块分别与左导轨和右导轨之间通过螺栓固定连接。

进一步地，所述的操控系统包括：

操控方式切换开关，用于操控系统在手控操作方式与体控操作方式之间切换；

控制盒体，安装于所述底盘上；

手控部件，包括安装在所述左扶手上的速度调节拨杆和安装在所述右扶手上的转向控制拨杆，该速度调节拨杆用以产生手控操作方式下的速度控制信号，该转向控制拨杆用以产生手控操作方式下的转向信号；

体控部件，包括安装于所述扭簧下端的角位移传感器、竖直固定于控制盒体内的陀螺仪和加速度计传感器，该角位移传感器实时测试并输出体控操作方式下的转向信号，该陀螺仪实时测试并输出车体摆动角速度信号，该加速度计传感器实时测试并输出车体角度信号；

核心控制芯片，分别与所述操控方式切换开关、速度调节拨杆、转向控制拨杆、角位移传感器、陀螺仪和加速度计传感器相连接，对它们的信号进行处理得到并输出所需控制电压；

驱动器，与所述核心控制芯片以及所述左减速电机和右减速电机连接，接收该核心控制芯片输出的控制电压并且分别通过该左减速电机和右减速电机驱动所述左车轮和右车轮。

进一步地，所述的智能车还包括有电池，安装于所述底盘上，该电池与所述操控系统、左减速电机和右减速电机相连接。

与现有的智能车单一操控方式和站立式操控方式相比较，本发明所述的双控型两轮自平衡智能车具有可切换的手控操作和体控操作两种操控模式，使得智能车前进、后退以及转向的操控不再是单纯地由整个身体的协调来实现，而是能够分别通过手控和体控两种相互独立的操作方式来实现，实现了双重独立操控方式下两轮自平衡智能车的直立、前进、后退以及转弯功能。因而本发明不仅适合正常人士使用，而且还分别适用于双手活动灵活但身体活动障碍和双手活动障碍但身体其他部位活动灵活的残疾人士。此外，本发明的操作可以坐着进行，并通过手或身体的一些简单动作来实现，因此具有操控方便舒适、稳定性好和行进稳定灵活的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的后视图。

图3是本发明操控系统的示意图。

图中，1为底盘，2为右车轮，3为脚踏板，4为导轨基座，5为右导轨，6为右滑块，7为横梁，8为右扶手架，9为座椅，10为右扶手，11为操控方式切换开关，12为转向控制拨杆，13为左扶手，14为速度调节拨杆，15为左扶手架，16为左车轮，17为电池，18为控制盒体，19为右减速电机，20为左减速电机，21为左导轨，22为左滑块，23为座椅支撑架,24为扭簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例以本发明的技术方案为前提，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，还可以做出若干等效变化和改进，这些都应属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1和图2，图示本实施例的双控型两轮自平衡智能车包括有机械结构、安装于该机械结构上的操控系统和电池17，所述操控系统可以只通过双手进行的手控操作方式，也可以只通过身体的协调活动进行的体控操作方式，来控制所述智能车实现在竖直方向小倾角范围内的平稳运行。

所述的机械结构包括车架和座椅式车体。

所述车架包括底盘1、脚踏板3、左减速电机20、右减速电机19、左车轮16和右车轮2，其中，左减速电机20和右减速电机19通过法兰固定在底盘1上，左车轮16和右车轮2分别通过左减速电机20和右减速电机19与底盘1连接，脚踏板3通过螺栓连接在底盘1中部前方，便于操作者脚部协调用力。

所述座椅式车体包括二导轨基座4、左导轨21、右导轨5、左滑块22、右滑块6、横梁7、座椅支撑架23、扭簧24、座椅9、左扶手架13、右扶手架8、左扶手13和右扶手10。其中，二导轨基座4分别与底盘1的左、右边固联在一起，左导轨21和右导轨5通过螺栓分别连接在二导轨基座4之上，从而左导轨21和右导轨5分别通过二导轨基座4固定连接在所述底盘1上。左滑块22和右滑块6分别与左导轨21和右导轨5连接形成一个自由度的滑动副；在所述的手控操作方式下，所述左滑块22和右滑块6分别与左导轨21和右导轨5之间通过螺栓固定连接。横梁7水平地固定连接于左滑块22和右滑块6上，座椅支撑架23固定于横梁7的中部，座椅9可旋转地置于座椅支撑架23上，扭簧24安装在座椅支撑架23的顶部。左扶手13通过左扶手架15固定连接在左滑块22上，右扶手10通过右扶手架8固定连接在右滑块6上，从而座椅9、左扶手13和右扶手10能够随身体前后移动。

请参阅图3，所述的操控系统包括操控方式切换开关11、控制盒体18、相互独立的手控部件和体控部件、核心控制芯片和驱动器。

所述操控方式切换开关11安装于右扶手10上，用于所述操控系统在手控操作方式与体控操作方式之间切换。

所述控制盒体18安装于所述底盘1上，用于容纳操控系统的大部分器件。

所述手控部件包括速度调节拨杆14和转向控制拨杆12，该速度调节拨杆14带有电位器且安装在所述左扶手13上，用以产生手控操作方式下的速度控制信号，该转向控制拨杆12带有电位器且安装在所述右扶手10上，用以产生手控操作方式下的转向信号。

所述体控部件包括角位移传感器、陀螺仪和加速度计传感器；所述角位移传感器安装于所述扭簧24的下端，用于实时测试并输出体控操作方式下的转向信号，该扭簧24与角位移传感器构成了转向机构；所述陀螺仪和加速度计传感器竖直地固定于控制盒体18之内，其与座椅支撑架23、座椅9、左导轨21和右导轨5以及左滑块22和右滑块6构成了重心调节机构，所述陀螺仪实时测试并输出车体摆动角速度信号，所述加速度计传感器实时测试并输出车体角度信号。

所述核心控制芯片采用DSP2812，安装于所述控制盒体18内，该核心控制芯片分别与所述操控方式切换开关11、速度调节拨杆14、转向控制拨杆12、角位移传感器、陀螺仪和加速度计传感器相连接，对它们传输来的信号进行处理，从而得到并输出所需控制电压。

驱动器与所述核心控制芯片DSP2812以及所述左减速电机20和右减速电机19连接，接收该核心控制芯片输出的控制电压并且分别通过该左减速电机20和右减速电机19驱动所述左车轮16和右车轮2。

所述的电池17安装于所述底盘1上，该电池17与所述操控系统、左减速电机20和右减速电机19相连接，7为整个系统供电。

本发明所述的双控型两轮自平衡智能车具有可切换的手控操作和体控操作两种操控模式。

所述手控操作方式，是指只通过双手来操作的控制模式，它通过左扶手13上带电位器的速度调节拨杆14的前后拨动给出速度信号，传给控制盒体18中的核心控制芯片DSP2812来控制智能车的行进速度（包括后退），通过右扶手10上带电位器的转向控制拨杆12的左右拨动给出转向信号传给核心控制芯片DSP2812，核心控制芯片接收指令后计算输出差动信号给左减速电机20和右减速电机19，实现智能车的转向控制；其中，整个控制过程中，智能车的直立平衡控制是通过核心控制芯片DSP2812高频采集陀螺仪和加速度计检测到的车体倾斜信号，并将该信号经卡尔曼滤波后与速度信号和转向信号叠加，经计算后向左减速电机20和右减速电机19发出控制信号，从而实现智能车在竖直方向小倾角范围内的平稳运行。

所述体控操作方式，是指通过脚部协调身体的活动来实现控制过程。它对行进速度的控制完全是通过人对车体重心的控制来实现，通过前后移动座椅9带动座椅支撑架23、左滑块22和右滑块6沿左导轨21和右导轨5前后移动，从而改变车体前后重心，使得车体产生前后倾斜，该倾斜信号由陀螺仪和加速度计传感器检测到并作为速度控制信号由核心控制芯片DSP2812进行采集，DSP2812根据采集到的倾斜信号向左减速电机20和右减速电机19发出PWM波从而控制智能车直立（不倒），实现重心前倾则产生往前的加速度，重心后倾则产生往后的加速度，在控制智能车直立的同时即实现了对智能车速度的控制；通过左右扭动身体带动座椅9、扭簧24和角位移传感器转动，该转动信号作为智能车的转向信号由角位移传感器检测并由核心控制芯片DSP2812进行采集，从而控制左减速电机20和右减速电机19差动实现智能车的左右转向；所述速度控制和转向控制均是由两种信号在DSP2812中叠加后并由DSP2812发出控制信号协同实现的。

本实施例的工作过程为：

在控制系统初始化前，首先设定好要采用的操作方式，操控方式切换开关11按下时为手控操作方式，弹起时为体控操作方式。如果要采用手控操作方式，则调整左滑块22和右滑块6的相对位置，使得车身处于一个自然平衡状态，然后用螺栓将左滑块22和右滑块6分别与左导轨21和右导轨5的相对位置固定。人坐上车以后，开机系统初始化，随后只需要操作者的左手轻轻向前或向后拨动速度调节拨杆14，即可实现智能车的前进和后退；右手轻轻往左或往右拨动转向控制拨杆12即可实现智能车的左右转向，向左拨动则向左转向，向右拨动则向右转向；在智能车相对静止的时候，拨动转向控制拨杆12可以实现在原地的零半径转弯。如果要采用体控操作方式，则松开左滑块22和右滑块6与左导轨21和右导轨5之间的固定螺栓，使得座椅9、左扶手13和右扶手10能自如地前后移动，这样，人坐上车以后，调整车身处于一个相对平衡的位置，开机系统初始化，然后操作者只需借助脚部的协调，使得身体带动座椅9和座椅支撑架23以及左滑块22和右滑块6沿导左导轨21和右导轨5前后移动，即可实现智能车的前后行走，前移往前行走，后移往后行走；在此过程中，若通过脚部的协助使得身体带动座椅9左右转动，则位于扭簧24端部的角位移传感器会检测到转动角度的变化，核心控制芯片DSP2812会根据该角度信号控制左减速电机20和右减速电机19实现差速，从而实现转向。身体左转则车子会随之左转弯，身体右转则车子会随之右转弯。如果此时智能车没有前后行进，则座椅的左右摆动即可实现智能车在原地的零半径转弯。

由此，实现了两种独立操控方式下智能车的直立、前进、后退以及转弯功能，打破了现有智能车的单一操控方式和站立式操控方式，实现了智能车双重独立的操控方式，使得本发明不仅适合正常人士使用，而且还分别适用于双手活动灵活但身体活动障碍和双手活动障碍但身体其他部位活动灵活的残疾人士。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要说明的是，本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他对此发明显而易见的变换和替代方案。

Claims (4)

1.一种“双控”型两轮自平衡智能车，其特征在于：所述智能车包括有机械结构和安装于该机械结构上的操控系统，所述操控系统以只通过双手进行的手控操作方式或者只通过身体的协调活动进行的体控操作方式来控制所述智能车实现在竖直方向小倾角范围内的平稳运行；

所述的机械结构包括车架和座椅式车体；

所述车架包括底盘、左减速电机、右减速电机、左车轮和右车轮，其中，左减速电机和右减速电机固定在底盘上，左车轮和右车轮分别通过左减速电机和右减速电机与底盘连接；

所述座椅式车体包括二导轨基座、左导轨、右导轨、左滑块、右滑块、横梁、座椅支撑架、扭簧、座椅、左扶手架、右扶手架、左扶手和右扶手，其中，左导轨和右导轨分别通过二导轨基座固定连接在所述底盘上，左滑块和右滑块分别与左导轨和右导轨连接形成一个自由度的滑动副，横梁水平地固定连接于左滑块和右滑块上，座椅支撑架固定于横梁上，座椅可旋转地置于座椅支撑架上，扭簧安装在座椅支撑架的顶部，左扶手通过左扶手架固定连接在左滑块上，右扶手通过右扶手架固定连接在右滑块上。

2.如权利要求1所述的“双控”型两轮自平衡智能车，其特征在于：在所述的手控操作方式下，所述左滑块和右滑块分别与左导轨和右导轨之间通过螺栓固定连接。

3.如权利要求1所述的“双控”型两轮自平衡智能车，其特征在于：所述的操控系统包括：

操控方式切换开关，用于操控系统在手控操作方式与体控操作方式之间切换；

控制盒体，安装于所述底盘上；

手控部件，包括安装在所述左扶手上的速度调节拨杆和安装在所述右扶手上的转向控制拨杆，该速度调节拨杆用以产生手控操作方式下的速度控制信号，该转向控制拨杆用以产生手控操作方式下的转向信号；

体控部件，包括安装于所述扭簧下端的角位移传感器、竖直固定于控制盒体内的陀螺仪和加速度计传感器，该角位移传感器实时测试并输出体控操作方式下的转向信号，该陀螺仪实时测试并输出车体摆动角速度信号，该加速度计传感器实时测试并输出车体角度信号；

核心控制芯片，分别与所述操控方式切换开关、速度调节拨杆、转向控制拨杆、角位移传感器、陀螺仪和加速度计传感器相连接，对它们的信号进行处理得到并输出所需控制电压；

驱动器，与所述核心控制芯片以及所述左减速电机和右减速电机连接，接收该核心控制芯片输出的控制电压并且分别通过该左减速电机和右减速电机驱动所述左车轮和右车轮。

4.如权利要求3所述的“双控”型两轮自平衡智能车，其特征在于：所述的智能车还包括有电池，安装于所述底盘上，该电池与所述操控系统、左减速电机和右减速电机相连接。