CN104960606A - 一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车 - Google Patents

一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车，包括车模、陀螺仪、摄像头传动杆、摄像头、传动杆、舵机传动杆、加速度计、第一编码器、摄像头转动轴承、第一轴承、摄像头支架、主控板、第二轴承、舵机、第二编码器；所述摄像头支架固定安装在车模上；摄像头与摄像头支架通过摄像头转动轴承滚动连接；所述摄像头传动杆一端与摄像头固定连接，摄像头传动杆另一端与传动杆通过第一轴承转动连接；所述舵机固定在车模上，所述舵机传动杆与舵机的转动轴固定连接，舵机传动杆的另一端与传动杆通过第二轴承滚动连接；所述陀螺仪、加速度计、主控板、第一编码器、第二编码器固定安装在车模上。本发明可以实时调整摄像头前瞻以达到更好的行驶性能。

Description

一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车
技术领域
本发明涉及一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车。
背景技术
基于摄像头的两轮自主循迹平衡车采用自主循迹智能车技术与两轮自平衡车技术结合的方式，将自主循迹智能车的摄像头采集道路方案应用于两轮自平衡车，实现两轮自平衡车的自主循迹。摄像头的前瞻对于两轮自平衡车的自主循迹控制是非常重要的，较小的前瞻能够消除由于硬件和软件带来的延时，保证系统控制的实时性和准确性，但同时采集的轨迹的信息量较小；较大的前瞻能够获取较多的轨迹信息，但是转弯处理时会带来转弯过早的问题。一般的摄像头安装方法，是将摄像头固定安装于两轮自平衡车的车身。固定安装的方案具有安装方便、稳定简单的优点。但是两轮自平衡车的运动，依靠车身重心倾角的变化实现加减速。当前方是直道时，车身会加速前进或高速前进，主控模块需要采集前方更远处的轨迹信息，但此时加速或者高速时车模倾角增大，摄像头前瞻是减小的，获取的是近处的轨迹信息；同理，前方是弯道时，车身减速前进或者低速前进，主控模块需要采集近处的轨迹信息，但此时车模倾角减小，摄像头前瞻增大，获取的为远处的轨迹信息。这极大制约了两轮自主循迹平衡车的行驶性能。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车，包括车模、陀螺仪、摄像头传动杆、摄像头、传动杆、舵机传动杆、加速度计、第一编码器、摄像头转动轴承、第一轴承、摄像头支架、主控板、第二轴承、舵机、第二编码器；所述摄像头支架固定安装在车模上；摄像头与摄像头支架通过摄像头转动轴承滚动连接；所述摄像头传动杆一端与摄像头固定连接，摄像头传动杆另一端与传动杆通过第一轴承转动连接；所述舵机固定在车模上，所述舵机传动杆与舵机的转动轴固定连接，舵机传动杆的另一端与传动杆通过第二轴承滚动连接；所述陀螺仪、加速度计、主控板、第一编码器、第二编码器固定安装在车模上。
通过所述陀螺仪获得车模重心倾角角速度，作为第一个状态参数，通过所述陀螺仪与加速度计拟合车模重心倾角角度，作为第二个状态参数，通过所述第一编码器、第二编码器获得车模行驶速度作为第三个状态参数；将所述两轮自平衡车三个状态参数引入摄像头前瞻的控制算法中，其中，第一个状态参数和第二个状态参数作为舵机输出角度的比例-微分控制的参数；第三个状态参数作为舵机输出角的辅助调整，该输出角控制摄像头前瞻，并根据速度大小实时调整。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明通过设置舵机、舵机传动杆、摄像头支架、摄像头传动杆和传动杆，可以实时调整两轮自平衡车摄像头前瞻。当车模以高速行驶或加速行驶时，车模重心倾角增大，由主控模块改变舵机输出角，从而保持摄像头前瞻；同理，当车模以低速行驶或减速行驶时，车模重心倾角减小，由主控模块改变舵机输出角，从而保持摄像头前瞻。通过舵机改变摄像头与车模夹角，有效克服一般两轮自平衡车摄像头固定安装存在的前瞻无法满足与车模运动状态相匹配的轨迹信息量需求的缺陷。
转动的转点处采用轴承替代以往的干性摩擦，保证了转动的顺滑和可靠性，同时也增大了两轮自平衡车的耐受力，延长了保养的周期。
在控制方法上，引入重心倾角和重心倾角角速度这两个车模运动状态参数，保证了舵机输出角度的响应精度和响应速度。引入了车模行驶速度这个状态参数，使车模可以根据不同的行驶速度来实时调整摄像头前瞻，使摄像头获取的轨迹信息更加精准有效。
附图说明
图1为一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车，包括车模1、陀螺仪2、摄像头传动杆3、摄像头4、传动杆5、舵机传动杆6、加速度计7、第一编码器8、摄像头转动轴承9、第一轴承10、摄像头支架11、主控板12、第二轴承13、舵机14、第二编码器15；所述摄像头支架11固定安装在车模1上；摄像头4与摄像头支架11通过摄像头转动轴承9滚动连接；所述摄像头传动杆3一端与摄像头4固定连接，摄像头传动杆3另一端与传动杆5通过第一轴承10转动连接；所述舵机14固定在车模1上，所述舵机传动杆6与舵机14的转动轴固定连接，舵机传动杆6的另一端与传动杆5通过第二轴承13滚动连接；所述陀螺仪2、加速度计7、主控板12、第一编码器8、第二编码器15固定安装在车模1上。
通过所述陀螺仪2获得车模1重心倾角角速度，作为第一个状态参数，通过所述陀螺仪2与加速度计7拟合车模1重心倾角角度，作为第二个状态参数，通过所述第一编码器8、第二编码器15获得车模1行驶速度作为第三个状态参数；将所述两轮自平衡车三个状态参数引入摄像头前瞻的控制算法中，其中，第一个状态参数和第二个状态参数作为舵机14输出角度的比例-微分控制的参数；第三个状态参数作为舵机14输出角的辅助调整，该输出角控制摄像头4前瞻，并根据速度大小实时调整。
本发明的工作过程和原理如下：
如图1所示，当车模1行驶过程中向前改变重心倾角时，摄像头4前瞻变小。主控模块12通过陀螺仪2和加速度计7拟合车模1重心倾角，根据车模重心倾角和重心倾角角速度计算舵机14输出，控制舵机14增大输出角，通过舵机传动杆6、传动杆5、摄像头传动杆3增大摄像头4与车模1的夹角，从而保持前瞻不随车模1重心倾角的变大而减小。同理，当车模1行驶过程中向后改变重心倾角时，摄像头4前瞻变大，主控模块12控制舵机14减小输出角，通过舵机传动杆6、传动杆5、摄像头传动杆3减小摄像头4与车模1的夹角，从而保持前瞻不随车模1重心倾角的变小而增大。
车模1在低速阶段，所需轨迹信息量较小，前瞻也较小，在上述控制方法中引入车模行驶速度参数进行微调。舵机14输出角度略小于快速跟随方案的舵机输出角，满足低速阶段需要较小前瞻的需求；在加速阶段，舵机14输出角度根据速度逐渐增大，达到前瞻随速度自适应调整的需求；到达高速阶段，快速跟随方案的舵机14输出角度略大于快速跟随方案的舵机输出角，满足高速阶段需要较大前瞻的需求。
这种进行了特殊机械设计、运用新型的前瞻控制方法的两轮自平衡车，解决了传统固定安装摄像头的方式所带来的前瞻随重心倾角变化的缺陷。并且引入车模行驶速度状态参数，对摄像头前瞻进行微调，使前瞻根据速度变化自适应调整，适应不同速度下主控模块对轨迹信息量的需求。所以本发明具有很高的实用效益，在未来会具有广泛的应用前景。

Claims (2)

1.一种前瞻自适应调整的两轮自平衡车，其特征在于：包括车模（1）、陀螺仪（2）、摄像头传动杆（3）、摄像头（4）、传动杆（5）、舵机传动杆（6）、加速度计（7）、第一编码器（8）、摄像头转动轴承（9）、第一轴承（10）、摄像头支架（11）、主控板（12）、第二轴承（13）、舵机（14）、第二编码器（15）；所述摄像头支架（11）固定安装在车模（1）上；摄像头（4）与摄像头支架（11）通过摄像头转动轴承（9）滚动连接；所述摄像头传动杆（3）一端与摄像头（4）固定连接，摄像头传动杆（3）另一端与传动杆（5）通过第一轴承（10）转动连接；所述舵机（14）固定在车模（1）上，所述舵机传动杆（6）与舵机（14）的转动轴固定连接，舵机传动杆（6）的另一端与传动杆（5）通过第二轴承（13）滚动连接；所述陀螺仪（2）、加速度计（7）、主控板（12）、第一编码器（8）、第二编码器（15）固定安装在车模（1）上。
2.根据权利要求1所述的前瞻自适应调整的两轮自平衡车，其特征在于：通过所述陀螺仪（2）获得车模（1）重心倾角角速度，作为第一个状态参数，通过所述陀螺仪（2）与加速度计（7）拟合车模（1）重心倾角角度，作为第二个状态参数，通过所述第一编码器（8）、第二编码器（15）获得车模（1）行驶速度作为第三个状态参数；将所述两轮自平衡车三个状态参数引入摄像头前瞻的控制算法中，其中，第一个状态参数和第二个状态参数作为舵机（14）输出角度的比例-微分控制的参数；第三个状态参数作为舵机（14）输出角的辅助调整，该输出角控制摄像头（4）前瞻，并根据速度大小实时调整。
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