CN105292344A - 一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，包括车体、车轮、脚踏和驱动车轮运行的电机，还包括控制模块和陀螺仪稳定器，控制模块包含微处理器、电子陀螺仪和用于测量车轮转速的速度传感器等部件，陀螺仪稳定器安装在车体内部，位于脚踏的下方，陀螺仪稳定器包含对独轮车直立起稳定作用的二自由度陀螺仪和用于测量二自由度陀螺仪转速的转速传感器，二自由度陀螺仪的转子轴铅直放置，框架轴平行于车轮的轮轴，电子陀螺仪、速度传感器和转速传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机和二自由度陀螺仪相连。本发明具有安全、可靠、简单易用等优点，不仅能实现独轮车前后方向的自平衡，而且能实现左右方向的自平衡，极大地降低了独轮车的骑行难度。

Description

一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车

技术领域

本发明是一种新型环保代步交通工具，涉及倒立摆自动控制和陀螺仪稳定器的应用，具体讲是一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车。

背景技术

独轮车的历史可以追溯到中国汉代的“手推车”，在现代交通工具广泛使用之前，它是一种便利的载物工具。原始的独轮车作为一种骑行工具多见于马戏团，它集运动、娱乐、健身于一体，但骑行有很大的难度。实际上，独轮车构成了一个倒立摆系统，而倒立摆系统是一个经典的多变量、非线性、不稳定系统,完全靠人力控制其行走当然会产生很大难度。

现代控制理论已经有成熟的方法控制倒立摆的倒立和移动。倒立摆控制方法和技术在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统和航空器对接控制技术等方面具有广阔的应用前景。美国Segway公司将倒立摆控制技术应用于双轮小车，开发出了Segway电动平衡车，而Solowheel公司则是将这种技术应用于单轮车，开发出了电动独轮平衡车。尽管Solowheel电动独轮平衡车能实现前后自平衡，比原始的独轮车骑行简单且能省人力，但左右平衡仍然需要骑行者人为控制，而这种控制技巧需要较长时间的练习才能获得，这极大限制了独轮车的使用场合和使用人群。

陀螺仪的定轴性和进动性在人们研究刚体转动时并已经认识到，实际上，在1850年法国物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）就已经发现高速转动中地的转子的旋转轴一直指向同一方向，并且他首次命名了陀螺仪。第一台实用的陀螺仪器问世已过了大半个世纪，但人们对陀螺仪的研究从未停止。现在的陀螺仪产品可谓多种多样，从最早的机械式陀螺仪到现在的电子陀螺仪，还有光纤陀螺仪、激光陀螺仪、MEMS陀螺仪等，陀螺仪的形态已经完全发生各种各样的演化。应用陀螺仪的定轴性，可以将其作为陀螺稳定器，用来稳定浪涛中的船体。施利克被动式稳定器实质上就是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，斯佩里主动式稳定器则是在被动式稳定器的基础上增加一个小型操纵陀螺仪。

发明内容

本发明目的是提高独轮车的稳定性、安全性和易用性，提供一种安全可靠且便携环保的基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，包括车体、车轮、脚踏和驱动车轮运行的电机，还包括控制模块和陀螺仪稳定器，控制模块包括微处理器、电子陀螺仪和用于测量车轮转速的速度传感器，陀螺仪稳定器安装在车体内部，位于脚踏的下方，陀螺仪稳定器包含对独轮车直立起稳定作用的二自由度陀螺仪和用于测量二自由度陀螺仪转速的转速传感器，二自由度陀螺仪的转子轴铅直放置，框架轴平行于车轮的轮轴，电子陀螺仪、速度传感器和转速传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机和二自由度陀螺仪相连。

进一步地，所述控制模块还包括用于测量车体与地面倾斜角度的角度传感器，角度传感器与微处理器的输入端相连。

进一步地，所述自平衡电动独轮车还包括电能回收模块，电能回收模块与供电电池相连。

本发明基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，二自由度陀螺仪作为陀螺仪稳定器，运行时对独轮车起前后方向、左右方向的稳定作用，其转子轴铅直放置，框架轴平行于独轮车的轮轴，当车体侧摇时，二自由度陀螺仪力矩迫使框架携带转子一起相对于车体旋进，而这种摇摆式旋进产生另一个陀螺力矩，对车体左右方向起稳定作用。二自由度陀螺仪的工作状态根据车子的运行状态不断调整，它由控制模块实时控制。控制模块不仅能控制二自由度陀螺仪的运转，而且能够通过控制电机带动车轮转动实现人体自平衡，并根据车体的姿态控制运动速度。人体与独轮车整体构成一个倒立摆系统，电子陀螺仪、速度传感器以及角度传感器等传感器，能实时检测系统的姿态，并通过微处理器对姿态信号进行实时处理来控制倒立摆系统直立运行。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，将倒立摆控制技术、陀螺仪稳定器与独轮车进行有机融合，解决了独轮车的前后左右各个方向的稳定性问题，提高了独轮车骑行的安全性和易用性，它能极大地扩大了独轮车的使用环境和适用人群，既可以作为便携的环保绿色代步交通工具，也可以作为一种娱乐健身工具。在环境污染日益严重的今天，本发明的普及可以缓解资源的消耗和空气污染等问题。

附图说明

图1是本发明基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车的结构示意图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是本发明基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车的控制原理示意图。

图4是二自由度陀螺仪的结构示意图。

图中所示：1、车体2、车轮3、脚踏4、电机5、控制模块51、微处理器52、电子陀螺仪53、速度传感器54、角度传感器6、陀螺仪稳定器61、二自由度陀螺仪611、转子轴612、框架轴613、转子614、框架62、转速传感器7、电能回收模块8、供电电池。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图3所示：一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，包括车体1、车轮2、脚踏3和驱动车轮2运行的电机4。以上均为现有技术，本发明的主要发明点在于：自平衡电动独轮车还包括控制模块5和陀螺仪稳定器6，不仅能实现前后方向的自平衡，还能实现左右方向的平衡。控制模块5包括微处理器51、电子陀螺仪52和用于测量车轮2转速的速度传感器53。陀螺仪稳定器6安装在车体内部，位于脚踏3的下方。陀螺仪稳定器6包含对独轮车直立起稳定作用的二自由度陀螺仪61和转速传感器62。二自由度陀螺仪61能够对独轮车前后方向以及左右方向起稳定作用。转速传感器62直接安装在二自由度陀螺仪61上，陀螺仪稳定器安装在车体内部，位于脚踏的下方，其能够检测二自由度陀螺仪61的转速并将信号输送到微处理器51中。二自由度陀螺仪61为现有技术，其具有转子613、转子轴611和框架轴612和框架614。二自由度陀螺仪61的转子轴611铅直放置，框架轴612平行于车轮2的轮轴。电子陀螺仪52、速度传感器53和转速传感器62分别与微处理器51的输入端相连，微处理器51的输出端与电机4和二自由度陀螺仪61相连。

本实施例中，控制模块5还包括用于测量车体1与地面倾斜角度的角度传感器54，角度传感器54与微处理器51的输入端相连。

本实施例中，微处理器51采用STM32芯片。微处理器51、电子陀螺仪52、速度传感器53以及角度传感器54均设置于控制模块5的主板上。电子陀螺仪52、速度传感器53以及角度传感器54分别能够实现测量电子陀螺仪52角速度、车体1与地面的倾斜角度以及滚轮2转速，并将信号输送到微处理器41中的功能。

本实施例中，自平衡电动独轮车还包括电能回收模块7，电能回收模块7与供电电池8相连。电能回收模块7能将下坡时的势能、刹车时的动能以及二自由度陀螺仪61减速转动时的转动能转化成电能，并将电能储存在供电电池8中，以达到增加续航能力的目的。

此外，本发明所涉及到的供电电池8具有较高的储能能力，并具有较小的体积和安全特性，适合安置在独轮车车体1有限的空间内。涉及到的电机4具有体积小、功率大的优点，能带动车轮2平稳转动。

以下为本发明基于陀螺仪稳定器6的自平衡电动独轮车的工作原理：

如图3所示：电子陀螺仪52能够输出角速度信号，微处理器51对角速度信号进行积分能得到角度信号，速度传感器53能输出速度信号，这些信号是独轮车最重要的运动状态信息。由于对电子陀螺仪52角速度信号进行积分得到的角度容易产生漂移误差，我们利用角度传感器54的信号对其进行互补滤波和卡尔曼滤波得到实时的角度信号。转速传感器62能把二自由度陀螺仪61的转速等信号实时传给微处理器51。微处理器51对车体1运动状态信息和二自由度陀螺仪61工作状态信息进行处理并输出控制信号，控制电机4和二自由度陀螺仪61的运行。其中控制算法可以是PID控制、模糊PID控制或自适应神经网络模糊控制。微处理器51产生的直立控制信号控制人体与独轮车整体构成一个倒立摆系统的自平衡，速度控制信号控制车轮2的转速，而陀螺仪控制信号控制二自由度陀螺仪61转子的加速或减速。整个控制系统构成一个闭环控制系统，使陀螺仪稳定器6和倒立摆控制系统协同工作，保证独轮车稳定安全骑行。

本发明基于陀螺仪稳定器6的自平衡电动独轮车，将倒立摆控制技术、陀螺仪稳定器6与独轮车进行有机融合，解决了独轮车的前后左右各个方向的稳定性问题，提高了独轮车骑行的安全性和易用性，它能极大地扩大了独轮车的使用环境和适用人群，既可以作为便携的环保绿色代步交通工具，也可以作为一种娱乐健身工具。在环境污染日益严重的今天，本发明的普及可以缓解资源的消耗和空气污染等问题。

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，包括车体、车轮、脚踏和驱动车轮运行的电机，其特征在于：还包括控制模块和陀螺仪稳定器，控制模块包含微处理器、电子陀螺仪和用于测量车轮转速的速度传感器，陀螺仪稳定器安装在车体内部，位于脚踏的下方，陀螺仪稳定器包含对独轮车直立起稳定作用的二自由度陀螺仪和用于测量二自由度陀螺仪转速的转速传感器，二自由度陀螺仪的转子轴铅直放置，框架轴平行于车轮的轮轴，电子陀螺仪、速度传感器和转速传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机和二自由度陀螺仪相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，其特征在于：所述控制模块还包括用于测量车体与地面倾斜角度的角度传感器，角度传感器与微处理器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪稳定器的自平衡电动独轮车，其特征在于：所述自平衡电动独轮车还包括电能回收模块，电能回收模块与供电电池相连。