CN104670359A - 一种双轮微型摩托车 - Google Patents

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杨亮
孙艳波
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K11/00—Motorcycles, engine-assisted cycles or motor scooters with one or two wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
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    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor

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Abstract

一种双轮微型摩托车，其组成包括机械系统和控制系统，其中机械系统包括两轮、车体、框架；控制系统包括：电机、驱动器、传感器、电池，并且传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。类似于传统的倒立摆的构简单的轮式移动机器人。本发明的目的是这样实现的：双轮微型摩托车是基于典型的移动倒立摆模型设计的，根据运动特性可将其分为两个主要部分，第一部分为机械系统，包括两轮、车体、框架等，负责实现机器人的机构功能，承载硬件电路、搭建工作平台；第二部分为控制系统，包括：电机、驱动器、传感器、电池等。其中传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。

Description

一种双轮微型摩托车
技术领域
本发明涉及的是一种移动机器人，特别涉及的是一种双轮微型摩托车。
背景技术
机器人技术越来越广泛的应用在了所有领域，移动机器人是机器人家族中的重要一员。在20世纪六十年代初期，就已经有关于移动机器人的相关研究。由于其应用范围十分广泛，以及计算机、传感器、控制器和执行器等多项相关领域的发展迅速，使得移动机器人的发展速度也有了明显的提高。但是在一些技术方面，移动机器人还有很多需要解决的问题，这也成为了近年来移动机器人研究活跃的一个重要原因。目前对于固定的机械臂的研究较为成熟，而对于具有移动平台的智能移动机器人的研究却甚少，双轮自平衡小车是移动机器人研究的一个重要方向。随着技术的发展，理论的成熟，对其研究的不断深入，移动机器人的应用越来越普遍，范围日益扩大，涉及到军事、工业与生活等领域，这就对机器人本身提出了更高的要求，在很多复杂的场所中，会给存在比较多的障碍，如何在完成任务的基础上提高灵活性，智能性成为了首要问题。而双轮自平衡机器人就能很好解决这一问题。双轮自平衡小车便属于这种类型，系统特点是多变量、非线性和强耦合，决定了它高度不稳定的特性。同时因其体积较小、运动灵活等优点，被广泛应用在军事及民用领域。正是由于它巨大的理论研究价值与实用价值，在过去的几年里不断吸引众多国内外学者、研究人员对其进行研究与探讨。在这种应用背景下的双轮微型摩托车应运而生。双轮微型摩托车实际上是一个单轴的倒立摆系统，在其摆轴的方向上，系统的速度和加速度不恒为零。该系统利用传感器技术和模糊控制原理实时控制系统的运动姿态并保证其稳定性和动作的准确性。双轮微型摩托车作为一款能够自我平衡并在无人操作条件下完成的智能摩托车，增强了科技竞技的技术性和娱乐性，并满足了日新月异的科创需求，为用户提供了一个综合试验平台。
发明内容
本发明的目的是提供是一种类似于传统的倒立摆的构简单的轮式移动机器人。本发明的目的是这样实现的：双轮微型摩托车是基于典型的移动倒立摆模型设计的，根据运动特性可将其分为两个主要部分，第一部分为机械系统，包括两轮、车体、框架等，负责实现机器人的机构功能，承载硬件电路、搭建工作平台；第二部分为控制系统，包括：电机、驱动器、传感器、电池等。其中传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。
一种双轮微型摩托车，其组成包括机械系统和控制系统，其中机械系统包括两轮、车体、框架；控制系统包括：电机、驱动器、传感器、电池，并且传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。
所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于车头舵角与舵机转角并不是线性对应的，后轮用高速的直流电机驱动，经减速比为1:27的齿轮箱减速后驱动后轮前进。
所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于增大了车头转向时对车身重心的影响，使其在转向的同时改变车子重心，便于转向和保持平衡，当车体发生倾斜时，车舵朝倾斜方向转动，除了利用车体在转弯时的向心力平衡车体，也利用了重心的移动另车体保持平衡。
所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于惯性轮机构由惯性驱动电机和轮盘组成，驱动电机使用带减速器的大功率直流有刷电机，轮盘为一质量均匀的扁圆柱状重物，驱动电机的减速器输出轴与轮盘轴稳固连接。摩托车受到扰动偏离平衡位置时，惯性轮驱动电机带动轮盘转动，产生的反扭矩负责提供摩托车恢复平衡所需的回复力。
所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于车体可装载数字信号处理器、惯性测量单元、导航定位系统。
本发明还包括：
根据实用摩托车的原理，智能摩托车的双轮按一前一后分布，当车子直线行驶时，两车轮的运动轨迹共线。前轮的转向由舵机驱动一个曲柄完成，由于舵机的输出轴与车多的连接靠移动副完成，因此车头舵角与舵机转角并不是线性对应的，在控制时可通过分层模糊控制避免这一缺点带来的影响。后轮用高速的直流电机驱动，经减速比为1:27的齿轮箱减速后驱动后轮前进。后轮的转轴留有突出轴承部分便于安装计算速度用的光栅码盘计数器的光栅码盘，使计数器的计算结果直接反应出后轮的转速大小，避免由于齿轮咬合不佳发生相对转动而引起的计数参数不正确。
考虑到智能摩托车失去了靠人体改变重心的功能，在设计车舵时，增大了车头转向时对车身重心的影响，使其在转向的同时改变车子重心，便于转向和保持平衡。即当车体发生倾斜时，车舵朝倾斜方向转动，除了利用车体在转弯时的向心力平衡车体，也利用了重心的移动另车体保持平衡。
惯性轮机构由惯性驱动电机和轮盘组成，驱动电机使用带减速器的大功率直流有刷电机，轮盘为一质量均匀的扁圆柱状重物，驱动电机的减速器输出轴与轮盘轴稳固连接。摩托车受到扰动偏离平衡位置时，惯性轮驱动电机带动轮盘转动，产生的反扭矩负责提供摩托车恢复平衡所需的回复力。
车体可装载各种电子设备，如数字信号处理器、惯性测量单元、导航定位系统等。
本发明的优点：
具有体积小，结构简单、移动轨迹灵活，适用于狭小和危险的环境中的特点；
本系统的控制核心为Mega16处理器，利用H桥驱动电路来产生PWM波控制驱动摩托车的后轮电机，结构紧凑，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的机械结构示意图；
图2为本发明的平衡控制系统框图；
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
一种双轮微型摩托车，其组成包括机械系统和控制系统，其中机械系统包括两轮、车体、框架；控制系统包括：电机、驱动器、传感器、电池，并且传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。
其特征在于车头舵角与舵机转角并不是线性对应的，后轮用高速的直流电机驱动，经减速比为1:27的齿轮箱减速后驱动后轮前进。
其特征在于增大了车头转向时对车身重心的影响，使其在转向的同时改变车子重心，便于转向和保持平衡，当车体发生倾斜时，车舵朝倾斜方向转动，除了利用车体在转弯时的向心力平衡车体，也利用了重心的移动另车体保持平衡。
其特征在于惯性轮机构由惯性驱动电机和轮盘组成，驱动电机使用带减速器的大功率直流有刷电机，轮盘为一质量均匀的扁圆柱状重物，驱动电机的减速器输出轴与轮盘轴稳固连接。摩托车受到扰动偏离平衡位置时，惯性轮驱动电机带动轮盘转动，产生的反扭矩负责提供摩托车恢复平衡所需的回复力。
其特征在于车体可装载数字信号处理器、惯性测量单元、导航定位系统。
结合图1，图1是本发明的机械结构示意图；双轮微型摩托车是基于典型的移动倒立摆模型设计的，根据运动特性可将其分为两个主要部分，第一部分为机械系统，包括两轮、车体、框架等，负责实现机器人的机构功能，承载硬件电路、搭建工作平台；第二部分为控制系统，包括：电机、驱动器、传感器、电池等。其中传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。双轮微型摩托车的机体结构通常包含：
1、轮系。根据实用摩托车的原理，智能摩托车的双轮按一前一后分布，当车子直线行驶时，两车轮的运动轨迹共线。前轮的转向由舵机驱动一个曲柄完成，由于舵机的输出轴与车多的连接靠移动副完成，因此车头舵角与舵机转角并不是线性对应的，在控制时可通过分层模糊控制避免这一缺点带来的影响。后轮用高速的直流电机驱动，经减速比为1:27的齿轮箱减速后驱动后轮前进。后轮的转轴留有突出轴承部分便于安装计算速度用的光栅码盘计数器的光栅码盘，使计数器的计算结果直接反应出后轮的转速大小，避免由于齿轮咬合不佳发生相对转动而引起的计数参数不正确。
2、车舵。考虑到智能摩托车失去了靠人体改变重心的功能，在设计车舵时，增大了车头转向时对车身重心的影响，使其在转向的同时改变车子重心，便于转向和保持平衡。即当车体发生倾斜时，车舵朝倾斜方向转动，除了利用车体在转弯时的向心力平衡车体，也利用了重心的移动另车体保持平衡。
3、惯性轮。惯性轮机构由惯性驱动电机和轮盘组成，驱动电机使用带减速器的大功率直流有刷电机，轮盘为一质量均匀的扁圆柱状重物，驱动电机的减速器输出轴与轮盘轴稳固连接。摩托车受到扰动偏离平衡位置时，惯性轮驱动电机带动轮盘转动，产生的反扭矩负责提供摩托车恢复平衡所需的回复力。
4、车体。可装载各种电子设备，如数字信号处理器、惯性测量单元、导航定位系统等等。
结合图2，图2为本发明的平衡控制系统框图。双轮微型摩托车平衡控制系统的总体设计如图2所示。该系统是指为角度伺服系统，即要求系统在给定角度的输入下，输出可以跟随输入。本系统的控制核心为Mega16处理器，利用H桥驱动电路来产生PWM波控制驱动摩托车的后轮电机。系统的检测元件为加速度计和陀螺仪分别用来测量输出角加速度和角度。最后将采集信号送入到互补滤波器之中，得到较光滑的角度反馈值，用以与输入角度比较，从而校正车体的姿态。

Claims (5)

1.一种双轮微型摩托车，其组成包括机械系统和控制系统，其中机械系统包括两轮、车体、框架；控制系统包括：电机、驱动器、传感器、电池，并且传感器为系统提供反馈信号，构造闭环系统的状态空间方程，通过PID控制来控制系统的平衡运动。
2.根据权利要求1所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于车头舵角与舵机转角并不是线性对应的，后轮用高速的直流电机驱动，经减速比为1:27的齿轮箱减速后驱动后轮前进。
3.根据权利要求1所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于增大了车头转向时对车身重心的影响，使其在转向的同时改变车子重心，便于转向和保持平衡，当车体发生倾斜时，车舵朝倾斜方向转动，除了利用车体在转弯时的向心力平衡车体，也利用了重心的移动另车体保持平衡。
4.根据权利要求1所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于惯性轮机构由惯性驱动电机和轮盘组成，驱动电机使用带减速器的大功率直流有刷电机，轮盘为一质量均匀的扁圆柱状重物，驱动电机的减速器输出轴与轮盘轴稳固连接。摩托车受到扰动偏离平衡位置时，惯性轮驱动电机带动轮盘转动，产生的反扭矩负责提供摩托车恢复平衡所需的回复力。
5.根据权利要求1所述的一种双轮微型摩托车，其特征在于车体可装载数字信号处理器、惯性测量单元、导航定位系统。
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