CN105947041B - 一种双轮自平衡车及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轮自平衡车，包括操纵杆和底盘，底盘上设有转向机构、控制单元和两块驱动板及电池，所述底盘两侧对称固定连接有轮毂电机；所述转向机构的一端连接所述操纵杆的末端将其固定在所述底盘上，另一端连接所述控制单元的电位器；所述控制单元连接控制所述两块驱动板，所述两块驱动板分别各自连接驱动所述轮毂电机。控制单元的STM32微处理器采集MPU6050传感器和电位器输入的信号，经过内部算法处理，将指令传给左右两块驱动板，进而控制左右轮毂电机。其优点是控制方便准确、反应灵敏、拆装方便、精简美观、成本低廉。

Description

一种双轮自平衡车及其方法

技术领域

本发明属于电动车技术领域，具体涉及一种双轮自平衡车及其方法。

背景技术

机器人在当今社会的应用越来越广泛，早在上个世纪六十年代，就已经开始了对机器人的研究。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。双轮自平衡车作为一种特殊的轮式移动机器人，其概念是在二十世纪八十年代提出。

自平衡小车的原理是倒立摆系统。通过采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，建立的系统数学模型和控制算法，实现自动控制电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移而自动调整。

现有的自平衡车大多采用一体化安装，拆装不便，不易维修。同时，将大部分零部件安置于底盘上表面，既不方便使用者站立，又增加了自平衡车的不稳定。复杂的悬架系统导致造价太高。这些问题与缺陷都亟待解决。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双轮自平衡车及其方法，控制准确、精简美观、拆装方便、成本低廉。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双轮自平衡车，包括操纵杆和底盘，所述底盘上设有转向机构、控制单元和两块驱动板及电池，所述底盘两侧对称固定连接有轮毂电机；

所述控制单元包括相互连接的微处理器、传感器和电位器；

所述操纵杆通过所述转向机构连接固定在所述底盘上，所述操纵杆的末端连接所述电位器；

所述控制单元连接控制所述两块驱动板，所述两块驱动板分别各自连接驱动所述轮毂电机。

进一步的，所述电控板上集成了微处理器、传感器，固定在所述底盘上。

进一步的，所述电控板和底盘保持平行且固定，并随着所述底板的俯仰变化而变化。

进一步的，所述电位器通过电位器固定块固定在所述底盘上，与所述转向机构连接；

所述电位器固定块为由水平底座与垂直支撑组合形成的L型结构，所述水平底座与所述底盘固连，所述垂直支撑上开一圆孔，所述圆孔与所述电位器匹配，所述电位器的一端卡扣固定在所述圆孔中。

进一步的，所述微处理器为STM32微处理器；所述传感器为MPU6050传感器，包括陀螺仪和加速度计。

进一步的，所述两个轮毂电机车轮通过两个轮毂电机轴固定块对称固定在所述底盘两侧；所述底盘及轮毂电机轴固定块的中心线与所述轮毂电机的轴线处于同一垂直平面上；

所述轮毂电机轴固定块为一方块结构，底部与底盘固定，分为头部与尾部，所述头部与尾部中间设有凹槽空隙；所述尾部为一块状结构，与所述头部的内部中间沿同一轴线设有一贯穿的圆形通孔，与所述轮毂电机的轴配合；所述轮毂电机的轴贯穿所述圆形通孔，与所述块状结构固连；

所述头部的圆形通孔的一侧至所述轮毂电机轴固定块的外侧为中空结构形成槽口。

进一步的，所述转向机构、控制单元和两块驱动板及电池均固定于所述底盘的下方。

进一步的，所述底盘的中心线与所述轮毂电机的轴线处于同一垂直平面上，所述电控板、电池及轮毂电机轴固定块沿着所述轴线对称设置。

一种双轮自平衡车的方法，包括以下步骤：

1)操控转动操纵杆；

2)所述电位器随所述转动操纵杆转动，并且采集其转向信号；

3)所述传感器采集动力信号，包括速度、加速度、角速度、角加速度信号；

4)所述电控板上的微处理器接收所述传感器和电位器输入的信号，经过内部算法处理，再将指令传给两块驱动板，进而控制两个轮毂电机。

进一步的，所述传感器的正方向与行驶方向一致。

有益效果：本发明提供的双轮自平衡车及其方法，与现有技术相比，具有以下优势：控制准确、精简美观、拆装方便、成本低廉，且结构简单，模块化设计拆装方便。另外，还采用STM32芯片和MPU6050传感器以及电位器控制迅速准确。

附图说明

图1为双轮自平衡车整体结构示意图；

图2为双轮自平衡车底部结构示意图；

图3为电位器固定块的三视图及平面展开图；

图4为轮毂电机轴固定块的三视图；

图5为固定块将车轮轴固定在底盘上示意图；

图6为电位器固定块将电位器固定在底盘上示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为一种双轮自平衡车，包括操纵杆2和底盘6，所述底盘6上设有转向机构3、控制单元和两块驱动板11、12及电池13，所述底盘6两侧对称固定连接有轮毂电机7、8作为车轮；

其中，控制单元包括相互连接的STM32微处理器、MPU6050传感器和电位器4，STM32微处理器、MPU6050传感器集成在一块电控板14上，通过铜螺柱固定在所述底盘6上。电控板14和底盘6保持平行且固定，并随着所述底板6的俯仰变化而变化。

转向机构3的一端连接所述操纵杆2的末端将其固定在所述底盘6上，另一端连接电位器4；电位器4连接控制所述两块驱动板11、12，所述两块驱动板11、12分别各自连接驱动所述轮毂电机7、8。电池13悬挂于底盘6下方的盒子中，两块驱动板11、12通过铜螺柱固定于所述底盘6的下方，同样的，转向机构3、控制单元和均固定于所述底盘6的下方，降低重心。操纵杆2与手柄1相连，由使用者控制。

电位器4通过电位器固定块5固定在所述底盘6上，保证电位器4正常工作，与转向机构3连接，电位器4与转向机构3的末端保持固定，并随着转向机构3的转动而转动。如图3所示，电位器固定块5为由水平底座与垂直支撑组合形成的L型结构，其中水平底座与底盘6固连，水平底座上开一U型槽是为了装配调整；垂直支撑为顶角经过圆角处理的三角形状，其上开一圆孔，此圆孔与所述电位器4匹配，电位器4的一端卡扣固定在所述圆孔中，圆孔的目的是将电位器4固定，将电位器4卡在圆孔中。

操纵杆2呈L型，其末端轴与转向机构3的孔间隙配合固定在所述底盘6上。电位器4的另一端与操纵杆2的末端相连，采集操纵杆左右转弯角度；同时一部分卡在电位器固定块5的圆孔中。

两个轮毂电机车轮通过两个轮毂电机轴固定块9、10对称固定在所述底盘6两侧。如图5所示，底盘6及轮毂电机轴固定块9、10的中心线与所述轮毂电机7、8的轴线处于同一垂直平面上；

其中，所述轮毂电机轴固定块9、10为一方块结构，底部与底盘6固定，6个螺钉穿过6个螺纹孔将轮毂电机轴固定块9、10与底盘6固定；

如图4所示，轮毂电机轴固定块9、10分为头部与尾部，所述头部与尾部中间设有凹槽空隙；所述尾部为一块状结构，所述尾部和所述头部的内部中间沿同一轴线设有一贯穿的圆形通孔，与所述轮毂电机7、8的轴过盈配合；所述轮毂电机7、8的轴贯穿此圆形通孔，与所述块状结构固连；轮毂电机7、8的轴穿过轮毂电机轴固定块9、10的圆形通孔。轮毂电机轴的末端本身就有螺纹，所以要用一个螺母在块状结构与轮毂电机轴固定块9、10的头部的中间的凹槽空隙对轴进行轴向定位。

所述头部的圆形通孔的一侧至所述轮毂电机轴固定块9、10的外侧为中空结构形成槽口。在槽口的上方有两个螺纹孔，这两个螺纹孔一方面是将轮毂电机轴固定块9、10与底盘6固定，另一方面也是控制槽口的开口大小，将螺纹拧紧一些，可以让槽口产生微小形变，从而对轴进行轴向和径向固定。这只是出于保险起见，防止圆形通孔的加工精度不够，与所述轮毂电机7、8的轴配合，确保在孔的加工精度不高的情况下能顺利与轮毂的轴配合。

如图5所示，通过轮毂电机轴固定块9、10，可以将轮毂电机7、8的轴牢固地固定在底盘6上。

实施例

一种双轮自平衡车的方法，包括以下步骤：

1)通过转动手柄1操控转动与之连接的操纵杆2；

2)所述电位器随所述转动操纵杆2转动，并且采集其转向信号；

3)所述传感器采集动力信号，包括速度、加速度、角速度、角加速度信号；

4)所述电控板14上的微处理器接收所述传感器和电位器输入的信号，经过内部算法处理，再将指令传给两块驱动板11、12，进而控制两个轮毂电机7、8。

在安装过程中，要保证传感器的正方向与行驶方向一致。

安装过程中，可仿照图5、6所示的安装方法，也可采用其他安装方法。安装过程中，应保证零件对称分布，如图2所示，底盘6的中心线与轮毂电机7、8的轴线处于同一垂直平面上，电控板14、电池13及轮毂电机轴固定块9、10沿着此轴线对称设置，以保证平衡；驱动板11、12质量很小，可以不按对称布置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双轮自平衡车，其特征在于：包括操纵杆（2）和底盘（6），所述底盘（6）上设有转向机构（3）、控制单元和两块驱动板（11、12）及电池（13），所述底盘（6）两侧对称固定连接有轮毂电机（7、8）；

所述控制单元包括相互连接的电控板（14）和电位器（4）；

所述操纵杆（2）通过所述转向机构（3）连接固定在所述底盘（6）上，所述操纵杆（2）的末端连接所述电位器（4）；

所述电控板（14）连接控制所述两块驱动板（11、12），所述两块驱动板（11、12）分别各自连接驱动所述轮毂电机（7、8）；

两个所述轮毂电机（7、8）通过两个轮毂电机轴固定块（9、10）对称固定在所述底盘（6）两侧；所述底盘（6）及轮毂电机轴固定块（9、10）的中心线与所述轮毂电机（7、8）的轴线处于同一垂直平面上；

所述轮毂电机轴固定块（9、10）为一方块结构，底部与底盘（6）固定，分为头部与尾部，所述头部与尾部中间设有凹槽空隙；所述尾部为一块状结构；所述轮毂电机轴固定块（9、10）内部沿水平方向设有一圆形通孔，所述圆形通孔贯穿所述头部与尾部，并与所述轮毂电机（7、8）的轴配合；所述轮毂电机（7、8）的轴贯穿所述圆形通孔，与所述块状结构固连；

所述头部的一侧开设有一与所述圆形通孔平行的槽口，所述槽口的水平中心轴线与所述圆形通孔的中心轴线位于同一水平面上，且所述槽口与所述圆形通孔连通。

2.根据权利要求1所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述电控板（14）固定在所述底盘（6）上，所述电控板（14）上集成了微处理器、传感器。

3.根据权利要求1所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述电控板（14）和底盘（6）保持平行且固定，并随着所述底盘（6）的俯仰变化而变化。

4.根据权利要求1所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述电位器（4）通过电位器固定块（5）固定在所述底盘（6）上，与所述转向机构（3）连接；

所述电位器固定块（5）为由水平底座与垂直支撑组合形成的L型结构，所述水平底座与所述底盘（6）固连，所述垂直支撑上开一圆孔，所述圆孔与所述电位器（4）匹配，所述电位器（4）的一端卡扣固定在所述圆孔中。

5.根据权利要求2所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述微处理器为STM32微处理器；所述传感器为MPU6050传感器，包括陀螺仪和加速度计。

6.根据权利要求1所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述底盘（6）的中心线与所述轮毂电机（7、8）的轴线处于同一垂直平面上，所述电控板（14）、电池（13）及轮毂电机轴固定块（9、10）沿着所述轴线对称设置。

7.根据权利要求1所述的双轮自平衡车，其特征在于：所述转向机构（3）、控制单元和两块驱动板（11、12）及电池（13）均固定于所述底盘（6）的下方。

8.一种根据权利要求1至7任一所述的双轮自平衡车的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）操控转动操纵杆（2）；

2）电位器随所述转动操纵杆（2）转动，并且采集其转向信号；

3）传感器采集动力信号，包括速度、加速度、角速度、角加速度信号；

4）电控板（14）上的微处理器接收所述传感器和电位器输入的信号，经过内部算法处理，再将指令传给两块驱动板（11、12），进而控制两个轮毂电机（7、8）。

9.根据权利要求8所述的双轮自平衡车的控制方法，其特征在于：所述传感器的正方向与行驶方向一致。