CN105172961B - 一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，该独轮双环面自行车包括车头、车座、双环面车轮、控制系统、传感器系统、车辆转角检测系统、制动系统和供电系统。本发明的独轮双环面自行车可依据当前车速和路况实时控制转角和转向半径，实现高灵敏度转向和原地转向，当行驶速度较高时，可通过自旋降低行驶速度，实现安全转向。

Description

一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车

技术领域

本发明涉及交通领域，尤其涉及一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车的设计。

背景技术

独轮自行车作为民间娱乐项目常见于杂技和艺术表演中，随着时代的发展，独轮自行车慢慢地融入和体育运动和健身活动之中，如今，独轮自行车更多地成为了一种新型代步方式。但是传统的独轮自行车需要驾驶者具有极好的协调力和掌控平衡的能力，为了使独轮自行车更好地适应于大众，具有自平衡性能和体感操作性能的独轮自行车应运而生，但是，至今为止，独轮自行车的仍存在一个极为棘手的问题，即转弯半径过大，无法实现小半径高灵敏度转弯，如何解决这一问题是独轮自行车突破当前发展限制的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可实现高灵敏度转向和原地旋转的独轮双环面自行车。本发明的独轮双环面自行车可依据当前车速和路况实时控制转角和转向半径，实现高灵敏度转向，当行驶速度较高时，可通过自旋降低行驶速度，实现安全转向。

本发明采用的技术方案如下：一种独轮双环面自行车包括车头、车座、双环面车轮、控制系统、传感器系统、速度调节器、车辆转角检测系统、制动系统和供电系统。

所述的车头和车座位于车身上方并与车身相连接或一体构成，所述的双环面车轮位于车身下方，并通过轴与车身相连接。

所述的双环面车轮由两个距离小于d的轮子组成，所述的两个距离小于d的轮子分别由两个电机驱动，所述的d在满足工艺设计的条件下应尽可能地小；所述的双环面车轮、也可由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成；所述的双环面车轮、的两个轮子的转速由控制系统控制；所述的双环面车轮可确保独轮双环面自行车在水平方向保持平衡。

所述的传感器系统包括转角角度传感器、速度角度传感器、速度传感器构成；所述的转角角度传感器位于车头，用于检测车头的转角α；所述的车头的转角α是用户转动车头的角度；所述的车头的转角α满足-180°≤α≤180°、α＝+360°或α＝-360°，车头的转角α为正数时表示车头向右转，车头的转角α为负数时表示车头向左转，车头的转角α＝+360°时，表示车辆向右原地旋转，车头的转角α＝-360°时，表示车辆向左原地旋转；所述的速度角度传感器位于车头的速度调节器，用于检测速度调节器的旋转角度β；所述的速度传感器分别位于双环面车轮的两个轮子，用于检测左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂；所述的转角角度传感器、速度角度传感器和速度传感器分别连续把所检测到的车头的转角α、速度调节器的旋转角度和左、右两侧侧轮子的行驶速度V₁、V₂发送至控制系统。

所述的速度调节器是指一个位于车头的可旋转的任意装置，用户通过旋转速度调节器向控制系统传递速度指令。

所述的车辆转角检测系统包括陀螺仪和加速度传感器；所述的车辆转角检测系统连续将检测到的信息发送至控制系统。

所述的控制系统获取传感器系统提供的信息；所述的传感器系统提供的信息包括车头的转角α、速度调节器的旋转角度β、双环面车轮的左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂；所述的控制系统获取车辆转角检测系统检测到的信息，并经过分析处理后获得车辆的实际转角γ；所述的控制系统依据传感器系统提供的信息和车辆实际转角γ调节V₁和V₂，实现调速和转向。

所述的速度调节器的旋转角度β与用户的目标行驶速度V满足V＝kβ；所述的k由工艺设计时人为决定。

所述的制动系统包括再生制动系统和摩擦制动系统，可提供再生制动和摩擦制动两种方式；所述的制动系统在制动强度较低时，首先采取再生制动方式，在制动强度较高时，采用再生制动与摩擦制动相结合的方式。

所述的供电系统通过充电储能后，为双环面车轮、控制系统、传感器系统，车辆转角检测系统和再生制动系统供电。

所述的一种基于磁悬浮的轮子包括内轮、外轮、悬浮系统、牵引系统、导向系统和通信系统。。

所述的内轮和外轮为同心圆，且外轮的过中心轴线的任意截面呈半包内轮的过中心轴线的任意截面的形状；所述内轮开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与车身相连。

所述的内轮和外轮优选以下结构：过内轮的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端相对；所述外轮的过中心轴线的任意截面为向右旋转90°的C型结构，并且C型结构的A-B段和I-J段与内轮的两个T型首端下平面相平行，C-D段和G-H段与内轮的两个T型首端侧面相平行，E-F段与内轮的T型首端上平面相平行，C型结构的其他段以光滑曲线相连接。

所述的悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；所述的悬浮初级为电磁铁，位于内轮，优选位于内轮的T型首端的两个下平面的下侧；所述的悬浮次级为永磁体或金属板，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮气隙传感器位于内轮或外轮，优选位于T型首端的两个下平面的下侧或位于外轮的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮初级产生的磁场与悬浮次级所产生的磁场相互作用以提供外轮相对内轮悬浮的悬浮力，使外轮相对内轮悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮半径方向一致。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的悬浮次级可以为多种形状，优选U型次级。

所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；所述的牵引初级为三相交流绕组或三相交流轨道，位于内轮，优选位于内轮的T型首端的上平面的上侧；所述的牵引次级为金属板或超导磁体，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的E-F段；所述的位置传感器分布于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的E-F段；所述的牵引初级与牵引次级所产生的磁场相互作用，为外轮运动提供切向力。所述的切向力与轮子的半径及内轮的中心轴线相垂直并指向车轮前进方向。

所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初极、导向次级和导向气隙传感器；所述的导向初极为电磁铁，位于内轮，优选位于内轮的两个T型首端侧面的外侧；所述的导向次级为永磁体或金属板，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向气隙传感器位于内轮或外轮，优选位于内轮的两个T型首端侧面的外侧或外轮的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向初极产生的磁场与导向次级所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮的中心轴线相平行。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的导向次级可以为多种形状，优选U型次级；所述的导向系统在控制系统检测到气隙值大于设定的气隙阈值ε时，由控制系统发出指令调节导向力的大小；所述ε为工艺设计时人为设定的气隙值。

所述的通信系统的通信方式包括有线和无线，所述的基于磁悬浮的轮子通过通信系统与车辆的控制系统通信。

进一步地，所述的悬浮系统的具体工作方法如下：

1)2n个悬浮初级分两列分别均匀分布于内轮，对应于2n悬浮初级有2n个悬浮次级分布于外轮，2n个悬浮气隙传感器位于内轮或外轮并对应于悬浮初级和悬浮次级分布；

2)供电系统向悬浮初级供电，悬浮初级与悬浮次级相互作用产生悬浮力F_l，使内轮与外轮分离产生气隙，第i个悬浮气隙传感器对应的气隙高度为h_i,(i＝1,2,3…2n-1,2n)；

3)控制系统连续检测第i个悬浮气隙传感器处的气隙高度h_i，判断h_i是否满足h_i＝h₀，若满足，则控制系统无操作；若h_i＜h₀，则增大悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)，F_li为第i个悬浮初级和对应的悬浮次级提供的悬浮力；若h_i＞h₀，则减小悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)。其中，所述h₀为工艺设计时人为设定的气隙值。

当牵引次级由金属板构成时，牵引初级为三相交流绕组，所述的牵引系统的具体工作方法如下:

1)用户设定当前的行驶速度v，控制系统获取行驶速度v；

2)控制系统发出指令，在构成牵引初级的三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生气隙磁场，当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的的分布情况可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布；当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿轮子内环边缘移动，行波磁场的移动速度为v_s，v_s＝2fτ，τ为极距，f为电流频率；

3)由金属板构成的外轮在行波磁场切割下，将产生感应电动势并形成电流；

电流和气隙磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮固定不动，那么外轮就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮的线速度用v表示，转差率用是s表示，则有v＝(1-s)v_s；

4)位置传感器连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′＜v，则通过调节电流频率f或转差率s增大F，以增大v′；若v′＞v，则通过调节电流频率f或转差率s减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。

5)用户发出制动指令，则在三相交流绕组中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。

当牵引次级为超导磁体时，牵引初级为三相交流轨道线圈，所述的牵引系统具体的工作方法如下：

1)用户设定当前的行驶速度v，控制系统获取行驶速度v；

2)控制系统发出指令，交流电源向构成牵引初级的三相交流轨道供电，产生交流磁场；

3)构成牵引次级的超导磁体在交流磁场的作用下产生感应电动势和感应电流；感应电流和交流磁场相互作用便产生切向电磁推力F，在F_x的作用下，内轮固定不动，那么外轮就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮21的线速度用v表示，则有v＝2fτ；其中，τ为超导磁体和三相交流轨道的极距，f为交流轨道输入电流频率；

4)位置传感器连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′＜v，则通过调节电流频率f增大F，以增大v′；若v′＞v，则通过调节电流频率f减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。

所述的导向系统的具体工作方法如下：

1)2m个导向初极分两列分别均匀分布于内轮，对应于2m个导向初极有2m个导向次级分布于外轮，2m个导向气隙传感器位于内轮或外轮对应于导向初极或导向次级分布；

2)2m个导向气隙传感器连续检测各个位置的气隙值l_i,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，并将气隙值发送至控制系统，控制系统将各个位置的气隙值与气隙阈值ε相比较，当与内轮相连的轴带动内轮发生侧向偏移使得l_i＞ε时，控制系统发出指令调节导向力的大小；

3)控制系统发出指令后，供电系统向导向初极供电，导向初极与导向次级相互作用产生吸引力F_di,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，直到控制系统检测到l_i＝ε,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，导向系统停止运行。

所述的调速的具体步骤如下：

1)用户旋转速度调节器，速度角度传感器检测到速度调节器的旋转角度β，并将速度调节器的旋转角度β发送至控制系统；

2)控制系统通过所获得的速度调节器的旋转角度β运算得出当前用户的目标行驶速度V，调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，位于各个轮子上的速度传感器连续将检测到的左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂发送至控制系统，直到控制系统检测到V₁＝V₂＝V时，停止对轮子速度的调节，返回步骤1)。

所述的调节各个轮子的行驶速度的调节方式依据双环面车轮的构造的不同而不同；对于所述的由两个距离小于d的轮子组成的双环面车轮，所述的调节方式是指电机的各种调速方式；对于由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成的双环面车轮，所述的调节方式是指通过改变牵引系统提供的牵引力大小来调节轮子的速度。

所述的转向的具体步骤如下：

1)用户转动车头，转角角度传感器检测车头的转角α，并将车头的转角α发送至控制系统；

2)控制系统获取车头1的转角α和当前行驶速度V，若-180°≤α≤180°，以差速调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，其中，ΔV₀、V₁、V₂满足ΔV₀＝V₁-V₂，ΔV₀为人为设定；若α＝+360°，则V₁＝-V₂＝V实现向右原地旋转，并返回至步骤1)；若α＝-360°，则-V₁＝V₂＝V，实现向左原地旋转，并返回至步骤1)；所述的V为车辆的行驶速度，在原地旋转过程中可以调节；

3)车辆转角检测系统获取信息，将所获取的信息发送至控制系统，控制系统分析处理后获得车辆转角γ₀，计算若n＝1，等待用户下一次转动车头；否则，进行下一步；

4)以差速调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，其中，ΔV、V₁、V₂满足ΔV＝V₁-V₂；返回至步骤(3)。

所述的ΔV₀视为不为负数，由认为给定，可取参考值ΔV₀＝0.5m/s；所述的ΔV为正数时表示车辆向右转，为负数时表示车辆向左转；所述的V、V₁、V₂以转向前的方向为正方向。

对于上述所述的转向步骤，为避免当车辆急速转弯时所带来的风险，可在步骤1)后增加以下步骤：当控制系统检测到当前行驶速度V≥V_m，转向角度α≥α_m时，控制系统控制两轮的速度V₁＝-V₂，即车辆原地旋转，并启动再生制动系统缓慢制动，当检测到|V₁|＝|V₂|≤|V_m|时，控制系统控制车辆以转向角α行驶；所述的V_m、α_m由认为设定，可取参考值V_m＝10m/s,α_m＝30°；若V＜V_m或α＜α_m，则直接进行步骤3)。

进一步地，以差速ΔV调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂包括以下控制规则：

1)若ΔV≥2V＞0，则使右侧轮子反向，即V₂为负数，同时增大|V₁|、|V₂|，使ΔV、V₁、V₂满足V₁＝-V₂，V₁-V₂＝ΔV；

2)若V≤ΔV＜2V，则使右侧轮子反向，即V₂为负数，并减小|V₂|，|V₁|保持不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

3)若0＜ΔV＜V，则减小|V₂|，|V₁|保持不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

4)若-V≤ΔV＜0，则减小|V₁|，|V₂|保持不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

5)若-2V≤ΔV＜-V，则使左侧侧轮子反向，即V₁为负数，并减小|V₁|，|V₂|保持不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

6)若ΔV＜-2V＜0，则使左侧轮子反向，即V₁为负数，同时增大|V₁|、|V₂|，使ΔV、V₁、V₂满足V₂＝-V₁，V₁-V₂＝ΔV；

所述的V、V₁、V₂以转向前的方向为正方向。

进一步地，以差速ΔV调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂还可以采取以下控制规则，对于向右转，有以下规则：

1)若0°≤α＜45°，增大|V₁|、|V₂|不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

2)若45°≤α＜90°，先按规则1)调节，然后以α′＝α-45°得到ΔV′，此时，|V₁|不变、|V₂|减小，使ΔV、ΔV′、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′；

3)若90°≤α＜135°，先按规则2)调节，然后以α″＝α′-45°得到ΔV″，此时，右侧轮子反向，即V₂为负，|V₁|不变、|V₂|增大，使ΔV、ΔV′、ΔV″、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′+ΔV″；

4)若135°≤α≤180°，先按规则3)调节，然后以α″′＝α″-45°得到ΔV″′，此时，右侧轮子反向，即V₂为负，|V₁|不变、|V₂|增大，使ΔV、ΔV′、ΔV″、ΔV″′、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′+ΔV″+ΔV″′；

对于向左转，有以下规则：

1)若-45°≤α＜0°，增大|V₂|、|V₁|不变，使ΔV、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV；

2)若-90°≤α＜45°，先按规则1)调节，然后以α′＝α-45°得到ΔV′，此时，|V₂|不变、|V₁|减小，使ΔV、ΔV′、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′；

3)若-135°≤α＜-90°，先按规则2)调节，然后以α″＝α′-45°得到ΔV″，此时，左侧轮子反向，即V₁为负，|V₂|不变、|V₁|增大，使ΔV、ΔV′、ΔV″、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′+ΔV″；

4)若-180°≤α≤-135°，先按规则3)调节，然后以α″′＝α″-45°得到ΔV″′，此时，左侧侧轮子反向，即V₁为负，|V₂|不变、|V₁|增大，使ΔV、ΔV′、ΔV″、ΔV″′、V₁、V₂满足V₁-V₂＝ΔV+ΔV′+ΔV″+ΔV″′。

本发明的有益效果是：

1)本发明的独轮双环面自行车通过在设定转向规则，利用两轮之间的差速和两轮的正反转实现小半径高灵敏度转向；

2)本发明的独轮双环面自行车在车辆高速行驶并且急转弯的情况下可通过自旋释放能量，当车辆的动能降至安全值之后再进行转弯，从而实现安全转弯；

3)本发明的独轮双环面自行车的基于磁悬浮的轮子内轮与外轮通过悬浮力相分离，内轮经轴与物体直接相连，内轮固定不动，通过外轮的旋转使物体前进，因此不存在轮子与轴之间的摩擦力作用，从而减少了能量损失，并且极大的提高了行驶速度。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的由两个轮子构成的双环面车轮；

图3是本发明的由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成的双环面车轮；

图4是本发明的基于磁悬浮的轮子的截面图；

图5是本发明的基于磁悬浮的轮子的外轮截面的C型结构示意图；

图6是本发明的由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成的双环面车轮的截面图。

图中所示：

1：车头，2：车座，3：速度调节器，4：制动装置，5：车身，6：双环面车轮，7：T型首端上平面，8：T型首端下平面，9：T型首端侧面，10：T型尾端，11：悬浮初级，12：悬浮次级，13：悬浮气隙传感器，14：导向初级，15：导向次级，16：导向气隙传感器，17：牵引初级，18：牵引次级，19：位置传感器，20：内轮，21：外轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图详细说明本发明的工作原理和所达到的效果。

如图1所示，本发明所述的一种独轮双环面自行车包括车头1、车座2、双环面车轮6、控制系统、传感器系统、速度调节器3、车辆转角检测系统、制动系统和供电系统。

所述的双环面车轮6由两个距离小于d的轮子组成，所述的两个距离小于d的轮子分别由两个电机驱动，如图2所示，所述的d在满足工艺设计的条件下应尽可能地小；所述的双环面车轮6也可由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成，如图3所示；所述的双环面车轮6的两个轮子的转速由控制系统控制；所述的双环面车轮6可确保独轮双环面自行车在水平方向保持平衡。

所述的传感器系统包括转角角度传感器、速度角度传感器、速度传感器构成；所述的转角角度传感器位于车头1，用于检测车头1的转角α；所述的车头1的转角α是用户转动车头1的角度；所述的车头1的转角α满足-180°≤α≤180°、α＝+360°或α＝-360°，车头1的转角α为正数时表示车头1向右转，车头1的转角α为负数时表示车头1向左转，车头1的转角α＝+360°时，表示车辆向右原地旋转，车头1的转角α＝-360°时，表示车辆向左原地旋转；所述的速度角度传感器位于车头1的速度调节器3，用于检测速度调节器3的旋转角度β；所述的速度传感器分别位于双环面车轮6的两个轮子，用于检测左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂；所述的转角角度传感器、速度角度传感器和速度传感器分别连续把所检测到的车头1的转角α、速度调节器3的旋转角度和左、右两侧轮子的行驶速度V₁、V₂发送至控制系统。

所述的速度调节器3是指一个位于车头1的可旋转的任意装置，用户通过旋转速度调节器3向控制系统传递速度指令。

所述的车辆转角检测系统包括陀螺仪和加速度传感器；所述的车辆转角检测系统连续将检测到的信息发送至控制系统。

所述的控制系统获取传感器系统提供的信息；所述的传感器系统提供的信息包括车头1的转角α、速度调节器3的旋转角度β、双环面车轮6的左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂；所述的控制系统获取车辆转角检测系统检测到的信息，并经过分析处理后获得车辆的实际转角γ；所述的控制系统依据传感器系统提供的信息和车辆实际转角γ调节V₁和V₂，实现调速和转向。

所述的速度调节器3的旋转角度β与用户的目标行驶速度V满足V＝kβ；所述的k由工艺设计时人为决定。

所述的制动系统包括再生制动系统和摩擦制动系统，可提供再生制动和摩擦制动两种方式；所述的制动系统在制动强度较低时，首先采取再生制动方式，在制动强度较高时，采用再生制动与摩擦制动相结合的方式。

所述的供电系统通过充电储能后，为双环面车轮6、控制系统、传感器系统，车辆转角检测系统和再生制动系统供电。

如图4所示，所述的一种基于磁悬浮的轮子包括内轮20、外轮21、悬浮系统、牵引系统、导向系统和通信系统。

所述的内轮20和外轮21为同心圆，且外轮21的过中心轴线的任意截面呈半包内轮20的过中心轴线的任意截面的形状；所述内轮20开有中心通孔；所述的内轮20的中心通过轴与车身5相连。

所述的内轮20和外轮21优选以下结构：过内轮20的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端10相对；所述外轮21的过中心轴线的任意截面为C型结构，如图5所示，并且C型结构的A-B段和I-J段与内轮20的两个T型首端下平面8相平行，C-D段和G-H段与内轮20的两个T型首端侧面9相平行，E-F段与内轮20的T型首端上平面7相平行，C型结构的其他段以光滑曲线相连接。

所述的悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级11、悬浮次级12和悬浮气隙传感器13；所述的悬浮初级11为电磁铁，位于内轮20，优选位于内轮20的T型首端的两个下平面2的下侧；所述的悬浮次级12为永磁体或金属板，位于外轮21，优选位于外轮21的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮气隙传感器13位于内轮20或外轮21，优选位于T型首端的两个下平面2的下侧或位于外轮21的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮初级11产生的磁场与悬浮次级12所产生的磁场相互作用以提供外轮21相对内轮20悬浮的悬浮力，使外轮21相对内轮20悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮20半径方向一致。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的悬浮次级可以为多种形状，优选U型次级。

所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级17、牵引次级18和位置传感器19；所述的牵引初级17为三相交流绕组或三相交流轨道，位于内轮20，优选位于内轮20的T型首端的上平面1的上侧；所述的牵引次级18为金属板或超导磁体，位于外轮21，优选位于外轮21的C型结构内侧的E-F段；所述的位置传感器19分布于外轮21，优选位于外轮21的C型结构内侧的E-F段；所述的牵引初级17与牵引次级18所产生的磁场相互作用，为外轮21运动提供切向力。所述的切向力与轮子的半径及内轮20的中心轴线相垂直并指向车轮前进方向。

所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初极14、导向次级15和导向气隙传感器16；所述的导向初极14为电磁铁，位于内轮20，优选位于内轮20的两个T型首端侧面3的外侧；所述的导向次级15为永磁体或金属板，位于外轮21，优选位于外轮21的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向气隙传感器16位于内轮20或外轮21，优选位于内轮20的两个T型首端侧面3的外侧或外轮21的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向初极14产生的磁场与导向次级15所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮20的中心轴线相平行。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的导向次级可以为多种形状，优选U型次级；所述的导向系统在控制系统检测到气隙值大于设定的气隙阈值ε时，由控制系统发出指令调节导向力的大小；所述ε为工艺设计时人为设定的气隙值。

所述的通信系统的通信方式包括有线和无线，所述的基于磁悬浮的轮子通过通信系统与车辆的控制系统通信。

实施例1

t₁时刻，用户打开电源开关，独轮双环面自行车开始启动。用户旋转速度调节器3，速度角度传感器检测到速度调节器3的旋转角度速度角度传感器将检测到的旋转角度发送至控制系统，控制系统依据V＝kβ得到此时用户希望获得的速度所述的k由工艺设计时人为决定。控制系统对控制两个轮子的两个电机进行调速，位于各个轮子上的速度传感器连续将检测到的左侧轮子的行驶速度和右侧轮子的行驶速度发送至控制系统，直到控制系统检测到时，停止调速，等待用户下一次旋转速度调节器3。

t₂时刻，用户旋转车头1，转角角度传感器检测到车头1旋转角度转角角度传感器将检测到的车头1旋转角度发送至控制系统。

控制系统获取车头1的转角和当前行驶速度若控制系统检测到当前行驶速度转向角度时，控制系统控制两轮的速度即车辆原地旋转，并启动再生制动系统缓慢制动，当检测到V时，控制系统控制车辆以转向角行驶。

若控制系统检测到或则进行以下步骤：若以差速调节左侧轮子的行驶速度和右侧轮子的行驶速度若则实现向右原地旋转，并等待用户下一次旋转车头1；若则实现向左原地旋转，并等待用户下一次旋转车头1；所述的V为车辆的行驶速度，在原地旋转过程中可以调节。

车辆转角检测系统获取信息，将所获取的信息发送至控制系统，控制系统分析处理后获得车辆转角计算若等待用户下一次转动车头1；否则，以差速调节左侧轮子的行驶速度和右侧轮子的行驶速度其中， 满足等待用户的下一步操作。

实施例2

当双环面车轮由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成时，如图6所示，其工作步骤如下：

t₁时刻，用户打开电源开关，独轮双环面自行车开始启动。控制系统获取启动指令和速度指令后，供电系统向吸引性悬浮系统供电。在悬浮力F_l的作用下，内轮20与外轮21相分离，悬浮气隙传感器13将各个位置的气隙值h_i,(i＝1,2,3…2n-1,2n)通过通信系统反馈至控制系统，控制系统通过控制系统连续检测第i个悬浮气隙传感器13处的气隙高度h_i，判断h_i是否满足h_i＝h₀，若满足，则控制系统无操作；若h_i＜h₀，则增大悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)，F_li为第i个悬浮初级11和对应的悬浮次级12提供的悬浮力；若h_i＞h₀，则减小悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)。其中，所述h₀为工艺设计时人为设定的气隙值。

当控制系统检测到各个位置的气隙值满足h_i＝h₀,(i＝1,2,3…2n-1,2n)时，控制系统发出指令，供电系统向牵引系统供电。用户旋转速度调节器3，速度角度传感器检测到速度调节器3的旋转角度速度角度传感器将检测到的旋转角度发送至控制系统，控制系统依据V＝kβ得到此时用户希望获得的速度所述的k由工艺设计时人为决定。控制系统对两个轮子的牵引系统分别发出指令进行调速。具体的调速步骤如下：

当牵引次级18由金属板构成时，牵引初级17为三相交流绕组时，供电系统向构成牵引初级17的三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生气隙磁场，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿轮子内环边缘移动，行波磁场的移动速度为v_s，v_s＝2fτ，τ为极距，f为电流频率。由金属板构成的外轮21在行波磁场切割下，将产生感应电动势并形成电流，电流和气隙磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮20固定不动，那么外轮21就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮21的线速度用v表示，转差率用是s表示，则有v＝(1-s)v_s。位置传感器19连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′＜v，则通过调节电流频率f或转差率s增大F_x，以增大v′；若v′＞v，则通过调节电流频率f或转差率s减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。当控制系统检测到用户发出制动指令时，则在三相交流绕组中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。

当牵引次级18为超导磁体时，控制系统发出指令，供电系统向构成牵引初级17的三相交流轨道供电，产生交流磁场，构成牵引次级18的超导磁体在交流磁场的作用下产生感应电动势和感应电流，感应电流和交流磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮20固定不动，那么外轮21就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮21的线速度用v表示，则有v＝2fτ；其中，τ为超导磁体和三相交流轨道的极距，f为交流轨道输入电流频率。位置传感器19连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′＜v，则通过调节外加电压u或电流频率f增大F_x，以增大v′；若v′＞v，则通过调节外加电压u或电流频率f减小F_x，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。当控制系统检测到制动指令时，供电系统在三相交流轨道中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。

t₂时刻，用户旋转车头1，转角角度传感器检测到车头1旋转角度转角角度传感器将检测到的车头1旋转角度发送至控制系统。

控制系统获取车头1的转角和当前行驶速度若控制系统检测到当前行驶速度转向角度时，控制系统控制两轮的速度即车辆原地旋转，并启动再生制动系统缓慢制动，当检测到时，控制系统控制车辆以转向角行驶。

若控制系统检测到或则进行以下步骤：若以差速调节左侧轮子的行驶速度和右侧轮子的行驶速度若则实现向右原地旋转，并等待用户下一次旋转车头1；若则实现向左原地旋转，并等待用户下一次旋转车头1；所述的V为车辆的行驶速度，在原地旋转过程中可以调节。

车辆转角检测系统获取信息，将所获取的信息发送至控制系统，控制系统分析处理后获得车辆转角计算若等待用户下一次转动车头1；否则，以差速调节左侧轮子的行驶速度和右侧轮子的行驶速度其中， 满足等待用户的下一步操作。

在车辆的运行过程中，为保持外轮21相对内轮20的位置不变，2m个导向气隙传感器16传感器连续检测各个位置的气隙值l_i,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，并将气隙值发送至控制系统，控制系统将各个位置的气隙值与气隙阈值ε相比较，当与内轮20相连的轴带动内轮20发生侧向偏移使得l_i＞ε时，控制系统发出指令调节相应的导向单元提供的导向力F_di，直到控制系统检测到l_i＝ε,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，导向系统停止运行。

Claims (10)

1.一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，包括车头、车座、双环面车轮、控制系统、传感器系统、车辆转角检测系统和供电系统；

所述的传感器系统将检测到的速度调节器的旋转角度和车头的转角发送至控制系统，控制系统通过调节组成双环面车轮的电机的转速或者基于磁悬浮的双环面车轮的牵引系统的牵引力大小调节独轮双环面自行车的行驶速度，通过调节双环面车轮的两个轮子之间的差速进行转向，供电系统为控制系统、传感器系统和车辆转角检测系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，所述的双环面车轮由两个轮子组成，所述的两个轮子由不同的电机驱动；所述的双环面车轮也可由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成；所述的双环面车轮的两个轮子的转速由控制系统控制；所述的双环面车轮可确保独轮双环面自行车在水平方向保持平衡。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，所述的传感器系统包括转角角度传感器、速度角度传感器和两个速度传感器构成；所述的转角角度传感器位于车头，用于检测用户转动车头的转角α；所述的速度角度传感器位于车头的速度调节器，用于检测速度调节器的旋转角度β；所述的速度传感器分别位于双环面车轮的两个轮子，用于检测左侧轮子的行驶速度V₁、右侧轮子的行驶速度V₂；所述的转角角度传感器、速度角度传感器和速度传感器分别连续把所检测到的车头的转角α、速度调节器的旋转角度、左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂发送至控制系统。

4.根据权利要求2所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，所述的基于磁悬浮的轮子包括内轮、外轮、悬浮系统、牵引系统、导向系统和通信系统；所述的悬浮系统提供吸引力，使外轮相对内轮悬浮；所述的牵引系统为外轮提供切向力，使外轮相对内轮转动；所述的导向系统利用吸引力维持内轮和外轮的相对位置保持不变，当内轮位置发生偏转，外轮也随之偏转，从而实现导向；独轮双环面自行车的控制系统通过供电系统控制悬浮系统、牵引系统、导向系统所提供的力的大小，实现对基于磁悬浮的轮子的控制。

5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，其特征在于，所述的悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；所述的悬浮初级为电磁铁，位于内轮；所述的悬浮次级为永磁体或金属板，位于外轮；所述的悬浮气隙传感器位于内轮或位于外轮；所述的悬浮初级产生的磁场与悬浮次级所产生的磁场相互作用以提供外轮相对内轮悬浮的悬浮力，使外轮相对内轮悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮半径方向一致。

6.根据权利要4所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，其特征在于，所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；所述的牵引初级为三相交流绕组，位于内轮，所述的牵引次级为金属板，位于外轮；或者所述的牵引初级为三相交流轨道，位于内轮，所述的牵引次级为超导磁体，位于外轮；所述的位置传感器分布于外轮；所述的牵引初级与牵引次级所产生的磁场相互作用，为外轮运动提供切向力，所述切向力的方向沿外轮转动方向。

7.根据权利要求4所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，其特征在于，所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初级、导向次级和导向气隙传感器；所述的导向初级为电磁铁，位于内轮；所述的导向次级为永磁体或金属板，位于外轮；所述的导向气隙传感器位于内轮或外轮；所述的导向初级产生的磁场与导向次级所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮的中心轴线相平行。

8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，所述的转向的具体步骤如下：

1)用户转动车头，转角角度传感器检测车头的转角α，并将车头的转角α发送至控制系统；

2)若-180°≤α≤180°，以差速调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，其中，ΔV₀、V₁、V₂满足ΔV₀＝V₁-V₂；若α＝+360°，则V₁＝-V₂＝V实现向右原地旋转，并返回至步骤1)；若α＝-360°，则-V₁＝V₂＝V，实现向左原地旋转，并返回至步骤1)；所述的V为车辆的行驶速度，在原地旋转过程中可以调节；

3)车辆转角检测系统获取信息，将所获取的信息发送至控制系统，控制系统分析处理后获得车辆转角γ₀，计算若n＝1，等待用户下一次转动车头；否则，进行下一步；

5)以差速调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，其中，ΔV、V₁、V₂满足ΔV＝V₁-V₂。

9.根据权利要求1或8所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，调节行驶速度的具体步骤如下：

1)用户旋转速度调节器，速度角度传感器检测到速度调节器的旋转角度β，并将速度调节器的旋转角度β发送至控制系统；

2)控制系统通过所获得的速度调节器的旋转角度β运算得出当前用户的目标行驶速度V，调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂，位于各个轮子上的速度传感器连续将检测到的左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂发送至控制系统，直到控制系统检测到V₁＝V₂＝V时，停止对轮子速度的调节。

10.根据权利要求9所述的一种高灵敏度转向的独轮双环面自行车，其特征在于，所述的调节左侧轮子的行驶速度V₁和右侧轮子的行驶速度V₂的调节方式依据双环面车轮的构造的不同而不同；对于两个由不同电机控制的轮子组成的双环面车轮，所述的调节方式是指电机的各种调速方式；对于由两个共轴的基于磁悬浮的轮子构成的双环面车轮，所述的调节方式是指通过改变牵引系统提供的牵引力大小来调节轮子的速度。