CN104648497A - 一种基于陀螺效应的横向自平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于陀螺效应的横向自平衡装置及方法，底板上部固定设有相对于底板的中心成轴对称布置的左、右两套飞轮旋转单元，每套飞轮旋转单元均包括一个飞轮、一个飞轮支架、一个舵机及一个舵盘，每个所述飞轮均由一个中心轴垂直于底板的金属空心圆柱和同轴套在金属空心圆柱中的一个无刷电机组成；当底板受外力矩作用由前向后横向倾斜时,左、右两侧的无刷电机转速相等、旋转方向相反地运转，两个舵机以相同角速度、沿相反转动方向转动，使左、右飞轮分别对飞轮支架产生与外力矩方向相反的两个陀螺力矩力矩；本发明采用陀螺效应提供横向作用力，提高装置的横向稳定性，降低横向扰动对装置的影响，在横向上达到平衡。

Description

一种基于陀螺效应的横向自平衡装置及方法

技术领域

本发明属于平衡控制技术领域，涉及在有外力作用下导致自身失去平衡后的自控装置，具体是一种可以安装在运动物件上、行驶车辆上等横向不稳定系统中起横向自平衡作用。

背景技术

行驶车辆包括汽车、二轮电动车等，在行驶过程中，由于外界环境因素，会受到外力的作用导致在横向上失去平衡，例如，在碰撞、路面不平整、轮胎侧向打滑时，受到横向外力作用时车辆很容易摔倒，稳定性不高，在失稳的状态下就很难进行平衡控制。在有些需要承载的运动物件上，在运动过程中也会失去平衡，例如提升或下降过程中、向前行进或者转动的过程中，都会因外界因素导致自身失去平衡。而目前传统的车辆和运动物件在横向上失去平衡时，还无法实现自平衡功能。                          

发明内容

  本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于陀螺效应的横向自平衡装置及横向自平衡方法，采用陀螺效应的横向自平衡技术以抵消横向扰动，实现横向的安全性与稳定性。

本发明基于陀螺效应的横向自平衡装置采用的技术方案：本发明最底部是水平的底板，底板上部固定设有相对于底板的中心成轴对称布置的左、右两套飞轮旋转单元，每套飞轮旋转单元均包括一个飞轮、一个飞轮支架、一个舵机及一个舵盘，每个所述飞轮均由一个中心轴垂直于底板的金属空心圆柱和同轴套在金属空心圆柱中的一个无刷电机组成，无刷电机的转子外壳与金属空心圆柱的内壁过盈配合连接，飞轮的上部通过无刷电机的定子与飞轮支架固定连接，飞轮的下部通过无刷电机的转轴连接飞轮支架；在左侧的飞轮支架后方设置左舵机，右侧飞轮支架前方设置结构与左舵机相同的右舵机，两个舵机的输出轴均呈水平布置且每个舵机的输出轴上固定套有一个舵盘，每个舵盘均固定连接飞轮支架；底板的下方设有控制器及分别连接控制器的传感器单元、左、右电机输出驱动单元和电源系统，控制器还连接两个舵机，左电机输出驱动单元通过控制线连接位于左侧的无刷电机，右电机输出驱动单元通过信号线连接位于右侧的无刷电机；传感器单元检测底板相对于垂直方向的横向倾角。

  本发明基于陀螺效应的横向自平衡方法采用的技术方案具有以下步骤：

1）当底板受外力矩M0作用由前向后横向倾斜时,控制器通过左、右电机输出驱动单元驱动左、右两侧的无刷电机转速相等、旋转方向相反地运转，传感器单元检测倾斜角度                                                并反馈给控制器；

2）当倾斜角度≥时，是控制器预设平衡极限角度，控制器控制两个舵机以相同角速度、沿相反转动方向转动，使左、右飞轮分别对飞轮支架产生与外力矩M0方向相反的两个陀螺力矩力矩M1、M2，两个陀螺力矩力矩M1、M2由后向前作用使底板由后向前回正。

当两个陀螺力矩力矩M1、M2使底板由后向前回正过垂直方向平面时，传感器单元检测到倾斜角度︱-︱≥，控制器控制两个舵机以相同的角速度且与各自原转向相反的方向转动，使左、右飞轮分别对飞轮支架产生与外力矩-M0方向相反的陀螺力矩-M1、-M2，两个陀螺力矩力矩-M1、-M2由前向后作用使底板由前向后回正。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明采用陀螺效应提供横向作用力，提高装置的横向稳定性，降低横向扰动对装置的影响，在横向上达到平衡。本发明不需要外界的辅助支撑就形成一个稳定的平衡体，能提高所应用系统的横向的安全性与稳定性。

附图说明

图1为本发明基于陀螺效应的横向自平衡装置的结构主视示意图。

图2为图1的右视示意图；

图3为图1的俯视图。

图4为本发明控制系统的组成及其外接示意图，图中实心箭头线表示为电流方向线，空心箭头线为输入输出信号方向线；

图5为本发明装置产生横向自平衡的原理图。

图中：1.底板；2.舵机；3.舵机支撑台；4.螺钉副；5.轴套；6.支撑架；7.金属空心圆柱；8.螺钉；9.飞轮支架；10.舵盘；11.螺栓副；12.无刷电机；13.轴承；14.轴承；15.螺钉副；17.控制主板箱；18.右电机输出驱动单元；19.传感器单元；20.控制器；21.左电机输出驱动单元；22.电源系统。

具体实施方式

参照图1、图2、图3所示，本发明基于陀螺效应的横向自平衡装置最底部是水平的底板1，底板1为方形。在底板1的上部固定有左、右两套飞轮旋转单元，左、右两套飞轮旋转单元相对于底板1的中心成轴对称布置，在运动不干涉的情况下，左、右两套飞轮旋转单元在保证可以正常旋转的情况下尽量靠近。每套飞轮旋转单元均包括一个飞轮、一个飞轮支架9、一个舵机2以及一个舵盘10。飞轮支架9用于连接飞轮与舵机2。左、右两套飞轮旋转单元中的左、右两个飞轮相对于底板1的中心处左右对称，每个飞轮均连接与其对应的一个飞轮支架9。每个飞轮均由一个无刷电机12和一个金属空心圆柱7组成，金属空心圆柱7的中心轴垂直于底板1，无刷电机12同轴套在金属空心圆柱7中，并且无刷电机12的转子外壳与金属空心圆柱7的内壁过盈配合连接，形成飞轮。飞轮的上部通过无刷电机12的定子以螺钉8与飞轮支架9固定连接，飞轮的下部通过无刷电机12的转轴连接飞轮支架9，转轴通过嵌在飞轮支架9下部圆盘中的轴承13连接飞轮支架9。

在左侧飞轮支架9后方设置左舵机2，在右侧飞轮支架9前方设置右舵机2，右舵机2结构与左舵机2结构相同，左、右两个舵机2相对于底板1的中心成轴对称。每个舵机2均通过四个螺钉副4固定在同侧的舵机支撑台3上端，舵机支撑台3下端固定焊接在底板1上。左、右两个舵机2的输出轴均呈水平布置，每个舵机2的输出轴上套有一个舵盘10，每个舵盘10各以两个螺钉副15固定连接在飞轮支架9上。在舵机2和舵盘10的对面，飞轮支架9通过一个螺栓副11与装有轴承14的支撑架6连接，支撑架6焊接在底板1上，在螺栓副11与支撑架6中间套有轴套5，对飞轮支架9进行限位。具体是：左侧舵机2通过四个螺钉副4固定在位于左侧飞轮支架9后端的左侧舵机支撑台3上端，左侧舵机支撑台3下端焊接于底板1上；左侧舵机2的输出轴上套有一个舵盘10，该舵盘10以两个螺钉副15与左侧飞轮支架9的后端固定连接。

左侧飞轮支架9前端通过一个螺栓副11与装有轴承14的支撑架6连接，支撑架6焊接在底板1的左侧前端上，在螺栓副11与支撑架6中间套有轴套5，对左侧飞轮支架9的前后限位。右舵机2通过另外四个螺钉副4固定在位于右侧飞轮支架9前端的右舵机支撑台3上端，该右舵机支撑台3下端焊接于底板1上；右舵机2的输出轴上套有另一个舵盘10，该舵盘10以另外两个螺钉副15与右侧飞轮支架9的前端固定连接。右侧飞轮支架9后端通过另一个螺栓副11与装有另一轴承14的另一支撑架6连接，另一支撑架6焊接在底板1的右侧后端上，在另一螺栓副11与另一支撑架6中间套有轴套5，对右侧飞轮支架9的前后限位。这样，两个飞轮、两个舵机2、两个舵机支撑台3、两个舵盘10、两个支撑架6均分别相对于底板1的中心轴形成轴对称布置，以达到平衡重心的目的。

参见图1和图4，在底板1的下方装有控制主板箱17，与底板1连为一体。控制主板箱17中有控制系统，控制系统包括控制器20、传感器单元19、左电机输出驱动单元21，右电机输出驱动单元18和电源系统22。控制器20位于控制主板箱17中部，包括主控制器和辅助控制器，分别采用飞思卡尔半导体公司的MK60N512VLQ10和爱特梅尔半导体公司的Atmega8l。控制器20分别连接传感器单元19、左电机输出驱动单元21、右电机输出驱动单元18以及两个舵机2，左电机输出驱动单元21通过控制线连接位于左侧的无刷电机12，右电机输出驱动单元18通过信号线连接位于右侧的无刷电机12，电源系统22给各个单元提供电源。

传感器单元19采用MPU6050模块，集成了加速度计和陀螺仪（MPU6050），传感器单元19与底板1相平行，以检测底板1及整个装置相对于竖直方向的横向倾角，并将横向倾角信息送至控制器20，控制器20接收传感器单元19的横向倾角信息并控制左、右电机输出驱动单元21、18，以驱动左、右侧的两个无刷电机12。左舵机2由舵机控制线引入控制主板箱17中连接控制器20，左侧的无刷电机12通过控制线接左电机输出驱动单元21，右侧的无刷电机12通过控制线接右电机输出驱动单元18，左、右电机输出驱动单元21、18均为无刷电机驱动电路，该驱动电路上臂采用P型MOS晶体管IRFR5305，下臂采用N型MOS晶体管IRFR1205。电源系统22由保护电路、初级高压降压电源盒、次级低压降压电源等组成，由外部直流电源箱引入。无刷电机12直接由电源供电（12V）；保护电路包括无刷电机保护电路、舵机保护电路、系统传感器和微控制器等弱电的保护电路；稳压电路包括6V的舵机稳压模块、低功耗电路低压稳压(5V/3.3V)。

参见图5，y轴是左右方向的一根与底板1相平行且经过左、右两套飞轮旋转单元垂直中心线的水平轴；x1轴经过左舵机2和左侧舵盘10的中心，是前后方向的一根与底板1相平行且与y轴位于同一个水平面并垂直相交于点的水平轴；x2轴经过右舵机2和右侧舵盘10的中心，是前后方向的一根与底板1相平行且与y轴位于同一个水平面并垂直相交于点的水平轴；左侧飞轮旋转单元的中心旋转轴Z1轴初始位置与x1、y轴在空间两两相互垂直并交于点，右侧飞轮旋转单元的旋转轴Z2轴初始位置与x2、y轴在空间两两相互垂直并交于点。

 陀螺效应产生原理是：在机械中高速转动部件的对称轴被迫在空间改变方向时，即对称轴被迫运动时，转动部件必对约束作用一个附加力偶，这种现象称为陀螺效应。应用到本装置中时，装置受外力作用（瞬间扰动或自身重力倾斜）时，使得以底板1为水平基准的整个装置以轴为转轴向前或向后转动发生倾斜,例如：如图5所示，装置整体由前向后横向倾斜，其所受的外力可简化为外力矩M0，装置整体沿轴逆时针转动。此时，由电源系统22进行电源供给，控制器20初始化后输出PWM信号给左电机输出驱动单元21和右电机输出驱动单元18，用于驱动左、右两侧的无刷电机12，使两个无刷电机12开始加速运转并达到控制器20预设的转速ω时，以转速ω稳定运转。左侧的无刷电机12以Z1轴为旋转轴逆时针方向转动，右侧的无刷电机以Z2轴为旋转轴顺时针方向转动，两个无刷电机12的转速相等且旋转方向相反。同时，传感器单元19检测装置的重心向后的倾斜角度（锐角），并将倾斜角度信号反馈给控制器20。

  当倾斜角度小于控制器20预设的整个装置的平衡极限角度时，即＜，表明是允许的倾斜，控制器20不发出控制信号，当≥时，控制器20发出控制信号控制两个舵机2以相同角速度、沿相反转动方向转动，其中，左舵机2沿x1轴顺时针转动，右舵机2沿x2轴逆时针转动，两个舵机2转动方向相反，以达到陀螺力矩的方向的统一。舵机2转动时，舵机2通过舵盘10与飞轮支架9连接传递扭力，通过飞轮支架9改变连接于飞轮支架9上的无刷电机12的转轴的前后倾斜角速度，使得z1轴绕x1轴旋转，向右前方向倾斜到z1＇轴的位置，z2轴绕x2轴旋转向左前方向倾斜到z2＇轴的位置，z1、z2两旋转轴旋转角速度相同，都为舵机2的角速度。由于z1、z2轴被迫在空间改变方向，导致左、右两个飞轮的平衡受到破坏，根据作用与反作用定律，飞轮支架9对飞轮定子轴有约束扭矩，则左、右飞轮对飞轮支架9有相同的反向作用力矩，分别是力矩M1和M2，称为陀螺力矩，陀螺力矩M1和M2与外力矩M0方向相反，由后向前作用，使得装置开始由后向前回正。

 当陀螺力矩M1和M2带动底板1及整个装置绕轴由后向前回转过图1的垂直方向平面时，就会产生向前横向倾倒的趋势，可简化为一个反向外力矩-M0,此时传感器单元19检测到倾斜角度为反方向-，当︱-︱≥时，控制器20发出控制信号控制两个舵机2以相同的角速度且与各自原转向相反的方向转动，即左舵机2沿x1轴逆时针转动，右舵机2沿x2轴顺时针转动，使得左、右飞轮对飞轮支架9及整个装置产生与原方向相反的陀螺力矩-M1和-M2，两陀螺力矩-M1和-M2方向及大小相同，与外力矩-M0相互作用使得底板1以及整个装置由前向后回正。由此，当外力矩M0的方向变化（即前后晃动）时，通过控制器20实时控制两个舵机2的角速度和方向，使陀螺力矩的方向始终与外力矩M0方向相反，陀螺力矩的大小与装置倾斜角度的大小成正比，通过控制器20控制舵机2的角速度的大小来控制陀螺力矩的大小，使其始终与外力矩M0产生相互受力作用，从而使装置倾斜角度在短时间内经过控制修正迅速回归，从而达到抵消横向扰动、近似平衡的目的。

Claims (7)

1.一种基于陀螺效应的横向自平衡装置，最底部是水平的底板（1），其特征是：底板（1）上部固定设有相对于底板（1）的中心成轴对称布置的左、右两套飞轮旋转单元，每套飞轮旋转单元均包括一个飞轮、一个飞轮支架（9）、一个舵机（2）及一个舵盘（10），每个所述飞轮均由一个中心轴垂直于底板（1）的金属空心圆柱（7）和同轴套在金属空心圆柱（7）中的一个无刷电机（12）组成，无刷电机（12）的转子外壳与金属空心圆柱（7）的内壁过盈配合连接，飞轮的上部通过无刷电机（12）的定子与飞轮支架（9）固定连接，飞轮的下部通过无刷电机（12）的转轴连接飞轮支架（9）；在左侧的飞轮支架（9）后方设置左舵机（2），右侧飞轮支架（9）前方设置结构与左舵机（2）相同的右舵机（2），两个舵机（2）的输出轴均呈水平布置且每个舵机（2）的输出轴上固定套有一个舵盘（10），每个舵盘（10）均固定连接飞轮支架（9）；底板（1）的下方设有控制器（20）及分别连接控制器（20）的传感器单元（19）、左、右电机输出驱动单元（21、18）和电源系统（22），控制器（20）还连接两个舵机（2），左电机输出驱动单元（21）通过控制线连接位于左侧的无刷电机（12），右电机输出驱动单元（18）通过信号线连接位于右侧的无刷电机（12）；传感器单元（19）检测底板（1）相对于垂直方向的横向倾角。

2.根据权利要求1所述基于陀螺效应的横向自平衡装置，其特征是：在舵机（2）和舵盘（10）的对面，飞轮支架（9）通过螺栓副（11）与装有轴承（14）的支撑架（6）连接，支撑架（6）固定连接底板（1），在螺栓副（11）与支撑架（6）中间设有轴套（5）。

3.根据权利要求1所述基于陀螺效应的横向自平衡装置，其特征是：每个舵机（2）均固定连接在同侧的舵机支撑台（3）上端，舵机支撑台（3）下端固定连接于底板（1）。

4.根据权利要求1所述基于陀螺效应的横向自平衡装置，其特征是：传感器单元（19）与底板（1）相平行，采用MPU6050模块，集成有加速度计和陀螺仪。

5. 一种如权利要求1所述基于陀螺效应的横向自平衡装置的横向自平衡方法，其特征是具有以下步骤：

1）当底板（1）受外力矩M0作用由前向后横向倾斜时,控制器（20）通过左、右电机输出驱动单元（21、18）驱动左、右两侧的无刷电机（12）转速相等、旋转方向相反地运转，传感器单元（19）检测倾斜角度                                               并反馈给控制器（20）；

2）当倾斜角度≥时，是控制器（20）预设平衡极限角度，控制器（20）控制两个舵机（2）以相同角速度、沿相反转动方向转动，使左、右飞轮分别对飞轮支架（9）产生与外力矩M0方向相反的两个陀螺力矩力矩M1、M2，两个陀螺力矩力矩M1、M2由后向前作用使底板（1）由后向前回正。

6.根据权利要求5所述横向自平衡方法，其特征是：当两个陀螺力矩力矩M1、M2使底板（1）由后向前回正过垂直方向平面时，传感器单元（19）检测到倾斜角度︱-︱≥，控制器（20）控制两个舵机（2）以相同的角速度且与各自原转向相反的方向转动，使左、右飞轮分别对飞轮支架（9）产生与外力矩-M0方向相反的陀螺力矩-M1、-M2，两个陀螺力矩力矩-M1、-M2由前向后作用使底板（1）由前向后回正。

7. 根据权利要求5或6所述横向自平衡方法，其特征是：控制器（20）控制舵机（2）的角速度的大小以控制陀螺力矩的大小，陀螺力矩的大小与倾斜角度的大小成正比。