CN106184542B

CN106184542B - 一种无轮距车辆控制系统和控制方法

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Publication number: CN106184542B
Application number: CN201510209494.9A
Authority: CN
Inventors: 徐伟科
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2019-09-03
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CN106184542A

Abstract

本发明提供一种无轮距车辆控制系统和控制方法，使用角动量装置进行姿态控制，同时至少利用重力力矩对角动量装置进行卸载，使得在控制系统供电存在的前提下，无轮距车辆不依靠辅助支撑也可以无限长时间地保持静止或者低速行驶状态。通过角动量管理，避免了角动量装置的角动量饱和问题，增强了无轮距车辆抵抗外部干扰力矩的能力，提高了无轮距车辆转弯机动能力，并极大降低了对于姿态敏感器的精度要求。在一个实施方式中通过倾斜整车实现对重力力矩的利用，在另一个实施方式中通过调节装置直接调节整车的重心实现对重力力矩的利用。无轮距车辆可以是两轮汽车、两轮摩托车、单轨火车、独轮车等。典型的角动量装置为控制力矩陀螺。

Description

一种无轮距车辆控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及交通车辆，特别是涉及无轮距车辆的稳定系统。

背景技术

无轮距车辆是指车轮之间没有轮距的车辆，即所有车轮沿着一条直线布置的车辆，比如两轮摩托车、两轮自行车、单轨火车、独轮车、两轮汽车等。

相比四轮汽车、三轮车、双轨火车等交通车辆，无轮距车辆一般车轮数量较少，因此能耗较低，而且不存在内轮差，从而避免了转向轮胎磨损和附加能耗。在节能减排呼声日益高涨的现代社会，由于车轮数量带来的节能潜质是无轮距车辆的一大优势。此外，由于无轮距车辆的体积可以设计的比有轮距车辆更小，也使其在日益拥挤的城市中有着极大的发展潜力。

受市场需求和技术发展的双方面推动，原本默默无闻的无轮距车辆正在向着更安全、更舒适、更快捷的方向发展，原本普通平凡的无轮距车辆形态也正在与新技术进行着多方面的融合，而这种融合正在催化着一场交通方式的变革。以两轮汽车、两轮封闭式摩托车为例，随着各品牌的无轮距车辆产品的问世，以它们为代表的新兴技术正在从原型走向市场化。

无轮距车辆由于没有轮距，因此缺乏有轮距车辆那样固有的滚转方向上的平衡力，易于左右倾倒，车辆滚转方向上的平衡需要通过其他方式来保证。早在20世纪初，就有单轨火车投入使用，但是这些单轨火车要么使用了较宽的单轨来提供平衡力，要么使用了辅助支撑来提供平衡力，唯一的真正的单轨火车Gyro Monorail是使用了控制力矩陀螺(CMG)来保持平衡，但是最终却只是停留在了原型验证阶段，没有走向实用。一方面是当时尚且没有现代电子控制技术，另一方面也是因为没有找到合理有效的控制方式。

两轮汽车的历史同样可以追溯到20世纪初。早在1914年，世界第一辆两轮汽车Gyrocar就问世了，具有一前一后两个车轮，同Gyro Monorail一样，两轮汽车Gyrocar也使用控制力矩陀螺(CMG)来保持车辆在滚转方向上的稳定。此后又陆续出现了其他的一些两轮汽车，比如1967年的Gyro-X Car等。所有的这些两轮车都使用了控制力矩陀螺，能够一定程度上保持车辆滚转方向上的稳定，但是转弯稳定性差、转弯半径过大、需要辅助支撑、控制力矩陀螺重量过大等问题一直困扰着两轮汽车的发展。这些问题一方面是因为缺乏更好的力矩陀螺技术和电子技术，另一方面同样也是因为没有找到合理有效的控制方式。

2012年，专利申请号201380021809.6，该摩托车使用了两个控制力矩陀螺组成解耦的滚装方向上的力矩执行机构。受助于陀螺技术的发展，该专利使用了较高转速的控制力矩陀螺，在减小了控制力矩陀螺重量的同时，也为整车提供了尚可的角动量存储和力矩输出能力，在转弯、飞车、碰撞等情况下具有一定的姿态保持能力。但是根据该专利文献的技术描述和性能描述，该款摩托车依然只能提供有限的停车或者低速行驶时间，当车上的控制力矩陀螺饱和时，只能伸出辅助支撑来维持摩托车平衡，说明其同样没有找到合理有效的无轮距车辆姿态控制方式。

2014年，专利申请号201420469283.X，该两轮电动汽车使用了高性能的控制力矩陀螺和电子控制系统，实现了多种路况下和驾驶场景下的两轮行驶，展现了优良的性能和升级潜力，历史上首次将两轮汽车的产品化和市场化提上了日程。

两轮汽车、两轮摩托车由于具有类似普通四轮汽车的车厢，能提供普通四轮汽车同样的舒适度，而且更加节能环保和节省空间，因此受到多方关注。不断出现的关于两轮汽车的专利申请201220435498.0、201410684757.7、201410730671.3等，也反映了行业和市场对于新型无轮距车辆的热情。

独轮车产业最近两年的发展也很快，这种简易的单轮单人交通工具的平衡主要依靠驾驶人的腿部和腰部控制，目前独轮车自身并无姿态平衡能力，初次驾驶独轮车的人往往会感觉平衡困难，特别是上车和下车的时候，对于驾驶者的腿部控制能力要求较高。如果能够为独轮车增加姿态平衡能力，那么其使用体验就会有较大的提升。

两轮车辆中所使用的控制力矩陀螺原本是大型航天器姿态控制的执行机构，具有输出力矩大、功耗低、重量轻等优点。所有的角动量装置都会遇到角动量饱和的问题，因此所有使用角动量装置的控制系统都必须要进行角动量管理。控制力矩陀螺也是角动量装置的一种，所以也存在角动量饱和的问题。空间轨道环境的特点是，外部扰动力矩相比地面道路交通环境小很多，航天器中避免控制力矩陀螺角动量饱和的方法多是通过航天器上的喷气推力器和地磁场进行角动量卸载。但是地面车辆受到的扰动力矩要大很多，受到的扰动也频繁很多，无论是喷气卸载或者地磁卸载都无法提供足够的卸载力矩。显然航天器控制力矩陀螺的角动量卸载方式不适用于地面车辆，因此有必要为使用控制力矩陀螺等角动量装置的地面车辆，找到合适的角动量管理手段。

在高速行驶时，无轮距车辆的姿态平衡可以通过向心力所产生的力矩实现。具体原理是，在车辆出现侧倾时，具有转向功能的车轮的陀螺效应会使其略微转向，从而使得车辆出现微小的转向，这种微小的转向所产生的向心力力矩在左右方向上会再次平衡无轮距车辆。自行车、两轮摩托车、独轮车等在高速行驶时所显现的稳定特性都是基于相似的原因。这种平衡的前提是车辆达到一定的行进速度、转向车轮达到一定转速。但是在静止或者低速下，这种平衡机制就不存在或者过弱了。

从公开文献和专利来看，现有技术尚未找到无轮距车辆的最合理有效的姿态控制方法。而本发明给出了无轮距车辆姿态控制系统和方法的一般宗旨和优化形式，解决了无轮距车辆角动量管理和姿态稳定的问题。

发明内容

在现有技术中，所有的无轮距车辆的姿态控制都缺乏对角动量装置有效的角动量管理，因此，虽然现有技术已经能够完成对无轮距车辆的滚转方向上的姿态平衡，但是如果没有有效的角动量管理，那么在不依靠辅助支撑的情况下，这种姿态平衡是难以长时间维持的，也是不可靠的。

本发明的目的是至少利用重力力矩对角动量装置进行卸载，使得在控制系统有供电的前提下，无轮距车辆不依靠辅助支撑也可以无限长时间地保持静止状态。同时通过角动量管理，增强无轮距车辆抵抗外部干扰力矩的能力，提高无轮距车辆转弯机动能力，并减小角动量装置的尺寸。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无轮距车辆控制系统，包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接；

所述控制器参考运动状态敏感单元提供的车辆运动状态信息，通过控制角动量装置而产生力矩控制车体姿态；

所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，控制整车重心，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，从而至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差；

其中，所述整车包括所述车体、车轮、角动量装置、控制器，以及全部车载装置、车上全部人员、动物和其他一切物品；所述平衡状态角动量是在角动量装置正常工作范围内选取的一个角动量；所述车轮接地点是车轮与地面的接触点；对于只有单个车轮的车辆，所述车轮接地点连线方向定义为车轮前进方向。

可选的，所述控制器控制整车重心的方式为：倾斜整车。

可选的，所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制角动量装置输出沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

可选的，所述车体还包括可调节的气动舵面或者可调节的气动喷口，所述气动舵面在车辆行进时与空气的相对运动产生气动力，所述气动喷口由于涡轮或者扇叶的旋转而喷出或者吸入气体产生气动力，所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制车辆气动舵面产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，或者通过控制气动喷口的气动力产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

可选的，所述车体还包括配重单元和配重位置调节装置，所述配重位置调节装置至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上能够调节所述配重单元的位置，所述控制器控制整车重心的方式为：通过所述配重位置调节装置，至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制配重单元相对于车体的位置。

可选的，所述配重单元为所述角动量装置。

可选的，所述车体包括底盘和位于底盘之上的车身，底盘具有移动车身相对于底盘位置的功能，所述控制器控制整车重心的方式为：至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制所述车身相对于底盘的位置，从而控制整车重心。

可选的，所述车轮数目不少于两个，且所有车轮都具有转向能力；所述控制器控制整车重心的方式为：控制所有车轮转向同一方向，车轮所在面与车轮接地点连线的夹角非零，控制器通过控制车轮的转动方向或者转动速度，对整车施加力矩。

可选的，所述运动状态敏感单元包括姿态敏感器，所述姿态敏感器包括陀螺仪或者角速度计，所述姿态敏感单元至少检测整车沿车轮接地点连线方向上的姿态或者角速度。

可选的，所述运动状态敏感单元包括加速度计，所述加速度计至少检测整车沿垂直于车轮接地点连线的水平方向上的加速度。

可选的，所述运动状态敏感单元包含车轮转速计，所述车轮转速计检测车轮的旋转速度，用于控制器对车辆行进速度的计算。

可选的，所述运动状态敏感单元包含车轮扭转角度计，所述车轮扭转角度计检测车轮转轴方向，用于控制器对车辆转弯半径的计算。

可选的，所述角动量装置包含控制力矩陀螺(CMG)，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向(即角动量方向)或者进动速度而产生力矩控制车体姿态；所述控制力矩陀螺(CMG)至少在某一垂直于车轮接地点连线的方向上有自由度。

可选的，所述角动量装置包含两个控制力矩陀螺(CMG)，两个控制力矩陀螺(CMG)的角动量大小相同，两个控制力矩陀螺(CMG)都通过可以旋转的框架与车体联接，通过对框架的旋转可以改变控制力矩陀螺的转轴方向(即角动量方向)，两个控制力矩陀螺(CMG)的框架的旋转方向平行但方向相反，且框架旋转方向与车轮接地点连线方向垂直，两个控制力矩陀螺(CMG)共同提供沿车轮接地点连线方向的解耦的力矩输出能力，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的框架角度或者框架旋转速度而产生力矩控制车体姿态。

可选的，所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向有三个自由度，即所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴可以在空间所有方向上进动。

可选的，所述角动量装置包含定轴反作用飞轮，该定轴反作用飞轮的旋转轴沿车轮接地点连线方向，所述控制器通过控制所述定轴反作用飞轮的旋转速度和旋转方向而产生力矩控制车体姿态。

可选的，所述角动量装置包含压头可调的液体泵单元、液体管路、位于液体管路中的液体，所述液体管路形成闭合回路，该闭合回路在垂直于车轮接地点连线方向的平面上投影面积不为零，所述控制器通过控制所述液体泵单元的输出压头，控制液体在液体管路中的流动速度和流动方向，从而产生力矩控制车体姿态。

可选的，所述控制器控制整车重心的具体方式为：控制整车重心与车轮接地点连线所组成的平面，在原目标姿态的基础上，绕车轮接地点连线的前进方向旋转角动量卸载角度：当角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，所述角动量卸载角度为负角度；当角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，所述角动量卸载角度为正角度；

所述原目标姿态指的是无轮距车辆姿态反馈控制现有技术中的目标姿态，对于使用陀螺仪或者角速度计的无轮距车辆姿态反馈控制现有技术而言，在车辆静止或者直线行驶时，所述原目标姿态即陀螺仪或者角速度计所指出的竖直姿态，在车辆转弯时，所述原目标姿态即陀螺仪或者角速度计所指出的特定的倾斜姿态，处于该倾斜姿态时，陀螺仪或者角速度计指出重力加速度与向心加速度之和沿整车重心与车轮接地点连线所组成的平面。

可选的，所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，计算角动量装置的卸载力矩，控制整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，使得重力和向心力产生的力矩之和等于该卸载力矩。

可选的，所述控制器根据车辆行进速度和车辆转弯半径计算所需的向心加速度，控制所述角动量装置而产生力矩，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面，相对于竖直方向绕车轮接地点连线的前进方向旋转到以下角度一、角度二、角度三中的任意一个：

角度三为关于θ的方程在区间的解

其中sin是正弦函数，cos是余弦函数，arctan是反正切函数，g为重力加速度，a为整车重心到车轮接地点连线的垂线的垂足处的向心加速度，r为整车重心到车轮接地点连线的垂线的垂足处的转弯半径，a和r都以面向前进方向时的右侧为正方向，h为从整车重心到车轮接地点连线的距离，u为卸载力矩，m为整车重量估计值。

可选的，所述无轮距车辆是两轮汽车或者两轮摩托车，具有一前一后两个车轮。

可选的，所述无轮距车辆是单轨火车。

可选的，所述无轮距车辆是独轮车，只具有一个车轮。

可选的，所述无轮距车辆是电动车，具有电能存储装置、驱动车轮旋转的电机，所述电能存储装置与所述驱动车轮旋转的电机相联接，为所述驱动车轮旋转的电机提供电能或者保存其回馈电能，所述电能存储装置可以多次补充电能，所述电能存储装置经过车载电力系统为角动量装置、运动状态敏感单元和控制器供电，所述车载电力系统完成电压、电流转换；所述控制器包含存储器、微处理器、电机控制器，所述存储器存储了所有的控制程序，所述控制程序是用计算机语言或者可执行指令描述的控制算法和参数，所述控制器读取所属存储器的控制程序，完成控制程序的计算并将计算结果输出到电机控制器，所述电机控制器是电子芯片或者电子电路，接收控制信号并输出相匹配的控制电压或者电流，从而驱动电机。

本发明的另一方面提供一种无轮距车辆的控制方法，技术方案如下：

一种无轮距车辆控制方法，所述无轮距车辆包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接；

其中，所述整车包括所述车体、车轮、角动量装置、控制器，以及全部车载装置、车上全部人员、动物和其他一切物品；所述平衡状态角动量是在角动量装置正常工作范围内选取的一个角动量；对于只有单个车轮的车辆，所述车轮接地点连线方向定义为车轮前进方向。

可选的，所述控制器控制整车重心的方式是，根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，计算角动量装置的卸载力矩，根据计算出的卸载力矩，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，使得重力和向心力产生的力矩之和等于该卸载力矩。

可选的，所述控制器控制整车重心的方式是，根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，辨识整车重心位置，根据辨识出的整车重心位置进行控制，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差。

基于上述技术方案，本发明实现了无轮距车辆的合理有效的角动量管理，是目前实现无轮距车辆无限长时间静止的唯一可行技术方案，且具有如下突出的技术效果：(1)本发明即使在扰动力矩较大的场景中(如大风天气等)，在控制系统供电存在的前提下，也能够不依靠辅助支撑实现无轮距车辆的无限长时间静止或者低速行驶。由于可以不依靠辅助支撑实现无轮距车辆无限长时间的静止和低速行驶(在控制系统供电存在的前提下)，因此本发明在需要频繁启停、低速行驶的场景中(如堵车时、寻找停车位时等)有无可替代的优势。(2)由于避免了控制力矩陀螺出现角动量饱和、处于奇异角度无法输出力矩的问题，而且实际上可以持续保持车载角动量装置处于最佳状态，所以在需要频繁、快速机动的场景中(如需要频繁转弯时、需要频繁超车时)，本发明能持续保证最佳的机动能力，具有其他技术方案无可替代的优势。(3)本发明能够自动辨识和补偿陀螺仪的漂移和角速度计的常值误差，理论上对于姿态敏感器的稳态精度没有要求。(4)本发明可以不依赖加速度计，控制系统可靠性更高。(5)本发明避免了车辆行驶过程中姿态控制方式的切换，适用于车辆的全部行驶状态，是除了飞车状态以外所有场景下的最佳控制方式。(6)相比于现有技术，在同样的姿态机动和稳定要求下，本发明可以使用更小的控制力矩陀螺。(7)本发明提出了将控制力矩陀螺和调节重心的装置相结合的设计，能够提供与四轮汽车同样的驾驶体验。使用姿态控制，可以改善车辆的驾驶体验，使得相比四轮车更加舒适。如果结合活动底架，那么可以实现双排座两轮汽车等宽车体无轮距车辆。(8)由于本发明对于无轮距车辆实现了可靠的姿态平衡，所以许多原本处于技术验证阶段的无轮距车辆，如单轨火车、两轮汽车、带有封闭车厢的两轮摩托车等可以藉此在节能性、舒适性、安全性等方面都达到市场化的水准，而无轮距车辆的普及会大幅度减少整个社会的交通能耗，对于建设节能社会具有很大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一和实施例二的左侧剖视图；

图2为实施例一和实施例二的后侧剖视图；

图3为实施例三的后侧视图；

图4为实施例四的左侧透视图；

图5为实施例五的左侧剖视图；

图6为实施例六的后侧剖视图；

图7为实施例七的后侧剖视图；

图8为实施例八的示意图；

图9为实施例九的左侧剖视图；

图10为实施例十的左侧剖视图；

图11为实施例十二的示意图；

图12为实施例十三的示意图；

图13为实施例十四的示意图；

图14为本发明控制系统信号关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

实施例一：

如图1所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。运动状态敏感单元1只有陀螺仪，该陀螺仪的漂移较大，且漂移量未知。陀螺仪测量得到车辆沿车轮接地点连线方向3的姿态角度，该姿态角度可能具有较大的漂移误差。角动量装置由两个控制力矩陀螺2组成。两个控制力矩陀螺2的角动量大小相同，角动量方向都与车轮接地点连线方向3共面，两个控制力矩陀螺2的框架旋转轴垂直于车轮接地点连线方向3，且两个控制力矩陀螺2的角动量方向与车轮接地点连线方向3的夹角保持互补。即转动这两个控制力矩陀螺2的框架可以输出解耦的沿车轮接地点连线方向3的力矩。通过控制整车倾斜角度的方式控制整车重心105。

在车辆启动时，将当时陀螺仪测量到的沿车轮接地点连线方向3的姿态角度保存作为目标姿态角度，将当时的控制力矩陀螺2的角动量保存作为平衡状态角动量。该平衡状态角动量下的控制力矩陀螺2转轴应尽量垂直于车轮接地点连线3，因为当控制力矩陀螺2转轴垂直于车轮接地点连线3时，控制力矩陀螺2在滚转102的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。如果启动时控制力矩陀螺2转轴与车轮接地点连线3夹角较小，应先进行角动量初始化，即先将两个控制力矩陀螺2的转轴都控制到与车轮接地点连线3垂直的方向。

在车辆启动后，辅助支撑(图1未示出)收起，在此后的停止或者低速行驶过程中，控制器不断检测陀螺仪测量值，按照两种方式之一闭环控制角动量装置，方式一为：

控制力矩＝-k₀×(陀螺仪测量姿态角度-目标姿态角度)

方式二为：

控制力矩陀螺进动速度＝-k₁×(陀螺仪测量姿态角度-目标姿态角度)

控制力矩陀螺2的进动参考方向应满足输出力矩负反馈的要求。k₀和k₁都是控制系数，都大于零，控制系数的选取有PID参数计算和选择的多种标准方法。

闭环控制使得陀螺仪测量到的姿态角度保持在目标姿态角度附近。由于初始目标姿态角度就不一定是绝对竖直，而且由于陀螺仪有固有漂移，以及人员乘坐位置往往不在中心或者车上一侧会放置货物，所以当陀螺仪指示当前处于目标姿态角度时，整车重心105往往不处于车轮接地点连线的竖直面104上，重力会持续作用于整车，重力产生的力矩经过姿态闭环控制后会全部存储于控制力矩陀螺2中，使得控制力矩陀螺2的角动量越来越偏离平衡状态角动量。所以假如不使用本发明，那么控制力矩陀螺的角动量一般会持续增加，当控制力矩陀螺2转到奇异位置就意味着角动量饱和，此时只能伸出辅助支撑(图1未示出)避免车辆倾倒。

如图2所示，根据本发明，假如整车重心处于车轮接地点连线3的竖直面的右侧(面向车辆前进方向看去)，那么经过一定时间的积累，控制器会检测到控制力矩陀螺2的角动量沿车轮接地点连线方向3为正，此时控制器会将目标姿态角度适当减小，同时通过控制力矩陀螺2输出力矩将整车姿态控制到新的目标姿态上。由于新的目标姿态角度比原来的目标姿态角度要向左倾斜(面向车辆前进方向看去)，使得整车重心105回到车轮接地点连线3的竖直面104上，从而阻止了控制力矩陀螺2的角动量进一步增加，或者使得整车重心105回到车轮接地点连线3的竖直面104的左侧(面向车辆前进方向看去)，重力产生的力矩会使得控制力矩陀螺2的角动量向平衡状态角动量变化，从而减小控制力矩陀螺2的角动量与平衡状态角动量之差。

即使在车辆静止时或者低速行驶时，本发明也总能在保持车辆平衡的同时，将控制力矩陀螺2吸收的角动量及时卸载，避免了角动量饱和。所以在车上能源允许的前提下，本发明能够在静止时或者低速行驶时无限长时间地保持车辆平衡。此外，本实施例仅仅使用陀螺仪实现无轮距车辆的姿态控制，而且在控制车辆姿态平衡时对于所用陀螺仪的漂移要求很低。

乘客和驾驶员不一定会正好乘坐于车轮连线的竖直面104上，在这种情况下，乘坐本实施例的无轮距车辆会感觉的整车有轻微的倾斜。但是一般而言，这种倾斜的程度相当小，对于驾驶和乘坐体验几乎没有影响，而如果驾驶员或者乘客希望获得绝对平正，可以调整自己在座位上的位置。

实施例二：

如图1所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。运动状态敏感单元1只有角速度计，该角速度计的常值误差较大，且常值误差未知。将该角速度计测量得到的车辆沿车轮接地点连线方向的角速度积分得到该方向上的姿态，由于角速度计不可避免地带有常值误差，经过积分后的姿态角度就会出现漂移。角动量装置由两个控制力矩陀螺2组成。两个控制力矩陀螺2的角动量大小相同，角动量方向都与车轮接地点连线方向3共面，两个控制力矩陀螺2的框架旋转轴垂直于车轮接地点连线方向3，且两个控制力矩陀螺2的角动量方向与车轮接地点连线方向3的夹角保持互补。即转动这两个控制力矩陀螺2的框架可以输出解耦的沿车轮接地点连线方向3的力矩。通过控制整车倾斜角度的方式控制整车重心。俯仰方向为101，滚转方向为102，偏航方向为103。

在车辆启动时，将当时的角速度计初始姿态清零，即将沿车轮接地点连线方向的姿态角度保存作为目标姿态角度，将当时的控制力矩陀螺2的角动量保存作为平衡状态角动量。该平衡状态角动量下的控制力矩陀螺2转轴应尽量垂直于车轮接地点连线3，因为当控制力矩陀螺转轴2垂直于车轮接地点连线3时，控制力矩陀螺2在滚转102的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。如果启动时控制力矩陀螺2转轴与车轮接地点连线3夹角较小，应先进行角动量初始化，即先将两个控制力矩陀螺2的转轴都控制到与车轮接地点连线3垂直的方向。

在车辆启动后，辅助支撑(图1未示出)收起，在此后的停止或者低速行驶过程中，控制器不断检测角速度计测量值，闭环控制控制力矩陀螺2，使得由角速度积分得到的姿态角度保持在目标姿态角度附近，在此过程中由于角速度计的常值误差，以及人员乘坐位置往往不在中心或者车上一侧会放置货物，所以当角速度计的积分值指示当前处于目标姿态角度时，整车重心105往往不处于车轮接地点连线的竖直面104上，重力会持续作用于整车，重力产生的力矩经过姿态闭环控制后会全部存储于控制力矩陀螺2中，使得控制力矩陀螺2的角动量越来越偏离平衡状态角动量，所以如果不使用本发明，那么控制力矩陀螺2的角动量会持续增加，当角动量饱和后，只能伸出辅助支撑(图1未示出)避免车辆倾倒。

如图2所示，根据本发明，假如整车重心105处于车轮接地点连线3的竖直面104的右侧(面向车辆前进方向看去)，那么经过一定时间的积累，控制器会检测到控制力矩陀螺2的角动量沿车轮接地点连线方向3为正，此时控制器会将目标姿态角度适当减小，同时通过控制力矩陀螺2输出力矩将整车姿态控制到新的目标姿态上。由于新的目标姿态角度比原来的目标姿态角度要向左倾斜(面向车辆前进方向看去)，使得整车重心105回到车轮接地点连线3的竖直面104上，从而阻止了控制力矩陀螺2的角动量进一步增加，或者使得整车重心105回到车轮接地点连线3的竖直面104的左侧(面向车辆前进方向看去)，重力产生的力矩会使得控制力矩陀螺2的角动量向平衡状态角动量变化，从而减小控制力矩陀螺2的角动量与平衡状态角动量之差。

即使在车辆静止时或者低速行驶时，本发明也总能在保持车辆平衡的同时，将控制力矩陀螺2吸收的角动量及时卸载，避免了控制力矩陀螺2的饱和。所以在车上能源允许的前提下，本发明能够在静止时或者低速行驶时无限长时间地保持车辆平衡。此外，本实施例仅使用角速度计作为运动状态敏感单元完成无轮距车辆的平衡控制，而且在控制车辆姿态平衡时对于所用角速度计的常值误差精度没有要求。

实施例三：

如图3所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。车体两侧各具有一个可调节的气动舵面5，气动舵面5的角度可以调节，通过调节气动舵面5的角度可以改变气动舵面5的迎风面积和迎风角度，从而改变两侧车体受到的力矩。角动量装置为控制力矩陀螺，运动状态敏感单元为陀螺仪或者角速度计。将控制力矩陀螺转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。面向车辆前进方向，当控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制右侧气动舵面5的下侧表面迎向车辆行进方向，控制左侧气动舵面5的上侧表面迎向车辆行进方向；当控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制右侧气动舵面5的上侧表面迎向车辆行进方向，控制左侧气动舵面5的下侧表面迎向车辆行进方向。产生的滚转气动力矩会改变整车重心相对于车轮接地点连线的位置。如此，控制器通过反馈控制气动舵面5，从而产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

实施例四：

如图4所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。具有横向水平贯通车体的一个空气涵道6，空气涵道6中有可以双向旋转的扇叶7。扇叶7的旋转速度和旋转方向可以控制。角动量装置为控制力矩陀螺2，运动状态敏感单元1为陀螺仪或者角速度计。将控制力矩陀螺2转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺2在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。面向车辆前进方向，当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制扇叶7使得涵道6中的气流向右侧流动；当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制扇叶7使得涵道6中的气流向右侧流动。产生的滚转气动力矩会改变整车重心相对于车轮接地点连线的位置。如此，控制器通过反馈控制利用调节涵道6中扇叶7的旋转可以产生滚转方向的力矩，从而产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

实施例五：

如图5所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。角动量装置为控制力矩陀螺2，运动状态敏感单元1为陀螺仪或者角速度计。具有配重位置调节装置8，控制力矩陀螺2安装于该配重位置调节装置8上。该配重位置调节装置8在左右方向上能够调节控制力矩陀螺2相对于车体的位置。将控制力矩陀螺2转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺2在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。面向车辆前进方向，当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制配重位置调节装置8使控制力矩陀螺2向左移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着控制力矩陀螺2向左侧移动，整车重心也向左侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的左侧时，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差；当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制配重位置调节装置8使控制力矩陀螺2向右移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着控制力矩陀螺2向右侧移动，整车重心也向右侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的右侧时，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。如此，控制器通过反馈控制控制力矩陀螺2相对于车体的位置，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。

实施例六：

如图6所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。角动量装置为控制力矩陀螺2，运动状态敏感单元1为陀螺仪或者角速度计。配重位置调节装置为机械关节9，在机械关节9的自由端联接有配重单元10。将控制力矩陀螺2转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺2在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。该机械关节9为一转动关节，转轴方向沿着车辆前进方向，在左右方向上能够调节配重单元10相对于车体的位置。面向车辆前进方向，当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制机械关节9使配重单元10向左移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着配重单元10向左侧移动，整车重心也向左侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的左侧时，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差；当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制机械关节9使配重单元10向右移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着配重单元10向右侧移动，整车重心也向右侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的右侧时，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。如此，控制器通过反馈控制利用机械关节9改变配重单元10相对于车体的位置，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小了控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。

实施例七：

如图7所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。角动量装置为控制力矩陀螺2，运动状态敏感单元1为陀螺仪或者角速度计。车体包括底盘11和位于底盘之上的车身12，底盘11具有移动车身12相对于底盘11的位置的功能。将控制力矩陀螺2转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺2在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。面向车辆前进方向，当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制底盘11使车身12向左移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着车身12向左侧移动，整车重心也向左侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的左侧时，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差；当控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制底盘11使车身12向右移动，同时根据陀螺仪或者角速度的测量姿态利用控制力矩陀螺2反馈控制车辆姿态，随着车身向右侧移动，整车重心也向右侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的右侧时，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。如此，控制器通过反馈控制利用底盘11改变上部车身12的位置，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小了控制力矩陀螺2的实际角动量与平衡状态角动量之差。

对于双排座两轮汽车而言，使用具有车身12移动功能底盘11的技术方案是合适的，因为双排汽车的重心偏移范围大，如果使用倾斜车身12的方式则倾角可能过大影响驾驶舒适性，如果使用配重的方式则配重也过大，增大了整车重量，同时也会增大整车功耗。对于实现双排无轮距汽车，本实施例是较好的选择。

实施例八：

如图8所示，无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。角动量装置为控制力矩陀螺，运动状态敏感单元为陀螺仪或者角速度计。两个车轮4都具有左右90度范围的转向能力。将控制力矩陀螺转轴垂直于车轮接地点连线时的角动量定义为平衡状态角动量，处于平衡状态角动量时，控制力矩陀螺在滚转的正方向和负方向上都能够输出足够的力矩。在车辆静止时或者低速行驶时，当检测到控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差较大时，控制车轮4转向，两个车轮4都旋转到相对于车辆前进方向左偏30度的方向。当控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，控制车轮4减速或者后退，随着整车减速或者后退，由于车轮4与车体中线具有夹角，所以会产生一个使车体向左侧倾倒的力矩，利用该力矩使得车体向左侧倾斜，同时根据陀螺仪或者角速度计的测量利用控制力矩陀螺反馈保持该姿态，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差；当控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，控制车轮加速或者前进，随着整车加速或者前进，由于车轮与车体中线具有夹角，会产生一个使车体向右侧倾倒的力矩，利用该力矩使得车身向右侧倾斜，同时根据陀螺仪或者角速度计的测量利用控制力矩陀螺反馈保持该姿态，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，经过闭环反馈控制，该力矩会减小控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差。如此，控制器利用一定的车轮4角度，通过控制车轮4的转速和转动方向，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小了控制力矩陀螺的实际角动量与平衡状态角动量之差。

实施例九：

如图9所示，本实施例中的反作用飞轮指定轴反作用飞轮。无轮距车辆为两轮汽车，具有两个车轮4，两个车轮一前一后联接于车体下部中间，各由一个满盘电机驱动旋转。两个车轮都具有转向能力，各由一个伺服电机驱动转向。角动量装置为转速和旋转方向都可调的反作用飞轮13，反作用飞轮的旋转轴沿着车辆行进方向。运动状态敏感单元1为陀螺仪或者角速度计。角动量装置的平衡状态角动量为反作用飞轮13处于静止状态下的角动量，即零。面向车辆前进方向，当反作用飞轮13顺时针旋转时，控制器加快反作用飞轮13顺时针方向的旋转速度，于是产生反作用力矩使车身向左侧滚转，于是整车重心也向左侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的左侧时，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，而控制器持续控制反作用飞轮保持整车姿态，经过这样的闭环反馈控制，该力矩会减小反作用飞轮13的转速；当反作用飞轮13逆时针旋转时，控制器加快反作用飞轮13逆时针方向的旋转速度，于是产生反作用力矩使车身向右侧滚转，于是整车重心也向右侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的右侧时，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，而控制器持续控制反作用飞轮13保持整车姿态，经过这样的闭环反馈控制，该力矩会减小反作用飞轮的转速。如此，控制器通过反馈控制反作用飞轮13的转速，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小了反作用飞轮13的转速，避免了反作用飞轮13的转速饱和。

实施例十：

如图10所示，角动量装置包含压头可调的液体泵单元15、液体管路14、位于液体管路中的液体，所述液体管路14形成闭合回路，该闭合回路在垂直于车轮接地点连线方向的同一平面上。角动量装置的平衡状态角动量为液体处于静止状态下的角动量，即零。运动状态敏感单元为陀螺仪或者角速度计。面向车辆前进方向，当液体管路14中的液体的流动速度为顺时针时，控制液体泵单元15使位于液体管路14中的液体加快顺时针方向的流动速度，于是产生反作用力矩使车身向左侧滚转，于是整车重心也向左侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的左侧时，重力会产生使得车辆向左侧滚转的力矩，而控制器持续控制液体泵单元15保持整车姿态，经过闭环反馈控制，该力矩会减小液体管路14中的液体流速；当液体管路14中的液体的流动速度为逆时针时，控制液体泵单元15使位于液体管路14中的液体加快逆时针方向的流动速度，于是产生反作用力矩使车身向右侧滚转，于是整车重心也向右侧移动，当整车重心移动到车轮接地点连线竖直平面的右侧时，重力会产生使得车辆向右侧滚转的力矩，而控制器持续控制液体泵单元15保持整车姿态，经过闭环反馈控制，该力矩会减小液体管路14中的液体流速。如此，控制器通过反馈控制液体管路14中的液体流速，改变了整车重心与车轮接地点连线所组成平面的姿态，利用重力产生的力矩减小了液体管路14中的液体流速，避免了液体流速饱和。

实施例十一：

如图11所示，两轮汽车，车轮有两个，运动状态敏感单元包括车轮转速计、车轮扭转角度计、加速度计、陀螺仪和角速度计两者之一。两个车轮中心距离为x，只有前轮具有转弯能力，整车重心位于两轮中间距离后轮σ·x处，其中0<σ<1。车轮扭转角度计检测得到车轮转轴方向β(左转为负，右转为正)，陀螺仪或者角速度计给出滚转方向上相对于竖直位置偏离的姿态角度为θ，整车重心到车轮接地点连线的距离为h，整车重量估计值为m，重力加速度为g。控制器进行如下计算：

利用加速度计测量得到的加速度对车轮半径进行滤波和修正：

其中λ为修正的加权系数，0≤λ≤1，t₂是当前时刻，t₁＝t₂-30秒；

计算车辆行进速度

v＝车轮旋转速度×车轮半径

计算车辆转弯半径

计算整车重心的向心加速度

正负号的取法为，向右侧转弯向心加速度为正，向左侧转弯向心加速度为负；

计算角动量装置的角动量卸载力矩为

u＝-k_u×(角动量装置的角动量-角动量装置的平衡状态角动量)

其中k_u>0

如果使用倾斜整车的方式控制整车重心，则计算滚转目标姿态角度为

如果使用调整配重单元相对于车体位置、或者平移上部车身的方式控制整车重心，则

计算角动量装置需要的眼车轮节点连线方向的输出力矩

其中k_p>0，k_d>0。根据执行机构的不同，为了获得该输出力矩，进行相应的计算如下：

如果角动量装置为控制力矩陀螺，则

输出力矩＝J×ω₁×ω₂

其中J为控制力矩陀螺转轴方向上的转动惯量，ω₁为控制力矩陀螺转轴方向上的转速，ω₂为控制力矩陀螺的扭转速度或者框架旋转速度；最终需要控制的是陀螺进动角速度；

如果角动量装置为反作用飞轮，则

其中J为反作用飞轮转轴方向上的转动惯量，ω为反作用飞轮转轴方向上的转速；最终需要控制的是角加速度；

如角动量装置为液体泵单元、液体管路、位于液体管路中的液体，则

其中A为液体闭合管路在垂直于车轮接地点连线的平面上的投影所包围的面积，η为管路中的液体质量流量；最终需要控制的是液体加速度；

如果使用调整配重单元相对于车体位置、或者平移上部车身的方式控制整车重心(右侧为正方向)，则除了控制角动量装置输出力矩外，还要控制配重单元或者车身的位置，计算方式为：

配重单元或车身目标位置

＝∫-k_c×(角动量装置角动量-角动量装置平衡状态角动量)^T

·车轮接地点连线前进方向单位矢量

其中k_c>0。

实施例十二：

如图11所示，无轮距车辆是两轮汽车，具有封闭的车厢，具有一前一后两个车轮。两轮汽车的左右两侧各具有一个可以伸出和收回的辅助支撑。两个车轮位于车体的下侧中部，各由一台满盘电机驱动旋转，一台伺服电机控制转向。两个车轮的转向范围都为左右90度。两轮汽车上安装有控制力矩陀螺组，该控制力矩陀螺组由两个控制力矩陀螺组成，可以输出滚转方向上的解耦力矩。具有车载电力系统，车载店里系统包括电能存储单元(电池)，电池为满盘电机、转向伺服电机、控制力矩陀螺，以及所有其他车载设备供电。运动状态敏感器包括三轴加速度计、双冗余三轴角速度计(陀螺仪)、双冗余车轮转速计、双冗余车轮扭转角度计、以及双冗余控制器，两个控制器包含独立的微处理器和电机控制器，微处理器可以执行用户程序，实现车轮转速控制、转向控制、控制力矩陀螺扭转控制等一系列控制的计算。双冗余三轴角速度计(陀螺仪)、双冗余车轮转速计、双冗余车轮扭转角度计的测量信号经过总线(CAN总线)分别传送给其两个控制器，两个控制器分别独自完成控制计算后，将车轮转速控制信号、车轮转向控制信号、控制力矩陀螺扭转控制信号灯送给仲裁电路，仲裁电路完成信号有效性验证后，将信号输出，完成力矩输出，实现车轮转速控制信号、车轮转向控制信号、控制力矩陀螺扭转控制。图14示意了控制系统的信号关系。

控制力矩陀螺的旋转轴和扭转轴都与它们各自的电机相联接，这些电机既可以发动机模式运行来驱动它们各自的负载，也可以切换到发电机模式来减慢负载的转速，并将回馈的能量转移至其他负载。

电力系统包括临时能量存储单元，用来提供电能的临时存储，同时在驱动/制动系统和控制力矩陀螺之间转移电能。

使用两个控制力矩陀螺的另外一个重要原因是可以提高车辆姿态控制系统的可靠性。如果一个惯性轮发生故障，第二惯性轮可用来在车辆的紧急停车期间提供足够的稳定性，为驾驶员和控制系统提供充足的时间将车辆置于安全条件下。在任一控制力矩陀螺发生故障或者出现紧急平衡形势的情况时，辅助支撑装置将及时伸出，从而保持车辆直立，保障驾驶员的安全。

三轴加速度计的一个用途是，可以辅助竖直姿态的检测。因为地球重力场的原因，三轴加速度计的测量值是车辆实际的加速度与重力加速度之和，因此当根据车轮转速计和车轮扭转角度计估计出车辆的加速度后，将三轴加速度计的测量值减去估计出的车辆加速度，就得到重力加速度，该矢量的方向就是地球的地心方向，即竖直方向。这种计算竖直方向的方法并不精确，因为根据车轮转速计和车轮扭转角度计估计车辆加速度并不准确，但是可以作为由陀螺仪或角速度计得到的姿态测量的一个辅助校验，当两者给出明显不一致的竖直方向时，说明存在故障。

当车辆达到较高的行驶速度后，角动量装置的角动量管理可以不再依赖重力提供的力矩，利用高速行驶时的向心力力矩可以进行更有效的角动量管理。而且可以在控制力矩陀螺和整车之间进行能量回馈，即当车辆行进速度降低时，控制车轮电机回馈电能给控制力矩陀螺，增大控制力矩陀螺的转速；当车辆行进速度增加时，将控制力矩陀螺的电能回馈给车轮电机，增降低控制力矩陀螺的转速。

控制器在计算所述角动量卸载角度时，参考车辆行驶速度，当车辆行驶速度变快时，则减小计算出的角动量卸载角度的绝对值。控制器在计算所述角动量卸载角度时，当车辆高速行驶时，角动量卸载角度为零，仅依靠车辆高速行驶时的向心力力矩自动保持车辆姿态平衡。

具有用于操控车轮转向的方向盘，所述控制器对该方向盘进行力反馈控制，即在车辆转弯时，如果角动量装置为了保持车辆机动过程的姿态平衡而达到或者接近最大输出力矩时，所述控制器对方向盘进行力反馈，避免驾驶员继续增加车辆机动幅度。

实施例十三：

如图12，无轮距车辆是单轨火车，在该单轨火车上安装有控制力矩陀螺、加速度计、角速度计、控制器等。

实施例十四：

如图13，无轮距车辆是独轮车，只具有一个车轮，车轮的两侧各具有一个脚踏板，在车轮的前后各有一个控制力矩陀螺。两个控制力矩陀螺组成解耦控制组合。驾驶者的左右脚分别踩于两个脚踏板上，车轮则被驾驶者的小腿夹于中间。独轮车的前后姿态保持可以通过车轮的转速控制实现。由于使用了控制力矩陀螺，使得在上车和停止并下车时，独轮车能够保持一定时间的姿态稳定，大大降低了驾驶难度。

实施例十五：

本发明的实现可以通过如前述实施方式中的计算控制力矩的方式，也可以采用其他殊途同归的中间步骤。一个常见的方式是，首先根据角动量装置的角动量进行整车重心位置辨识，然后将辨识出的整车重心与车轮接地点连线所组成的平面控制到特定的角度。

本专利中所提到的滚转轴、滚转方向、车辆前进方向、车轮接地点连线方向，在绝大多数情况下是彼此平行的，虽然针对一部分车辆和在一部分情况下，它们可能相差一定的角度，然而将他们理解为同一矢量，并不会对本专利造成误解。出于追求技术描述的准确性，本发明中较多使用“车轮接地点连线方向”的说法。

本文中所提到的“姿态”，没有特别说明时的含义是物体的空间三维指向，姿态的数学描述可有多种方式，比如四元数、方向余弦阵、欧拉角等。对于车辆而言，“姿态”可由三个方向上的角度描述，即沿俯仰“pitch”、滚转“roll”、偏航“yaw”三个方向上的角度。当特别说明了某一方向上的“姿态”时，则指沿着该方向的姿态角度。

本文中提到的“沿”某一轴向的“角度”或者“绕”某一轴的“角度”，没有特别说明时应按照通常的对于空间中角度的理解，即指的是以该轴向为旋转轴的旋转角度。以右手握住该轴、且拇指指向该轴向时的其余四指指向为角度的参考方向，即向其余四指指向旋转时的角度为正。

本文中所提到的“解耦”，就本发明具体而言，指的是能够输出沿着某一方向上的纯净的力矩，而不会在输出需要方向上力矩的同时输出其他不需要方向上的力矩。

本文中提到的“进动”，就本发明而言，指的是陀螺转轴指向的变化，与“陀螺转轴的转动”、：陀螺转轴的旋转“等含义相同。

本文中提到的“卸载”，就本发明而言，指的是减小角动量装置的角动量相对于平衡状态角动量之差，即通过给角动量装置本身施加力矩，减小其存储的角动量。本文中提到的“角动量管理”，就本发明而言，指的是利用卸载的手段控制角动量装置所存储的角动量。

基于上述原理，许多修改和变型是可以的。选择和描述具体的实施方式是为了最好地的解释公开的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用各种修改的实施方式用作可适合于预期的特定用途。

一些上文详细描述的部分是以算法和计算机存储器内的操作数据位符号表达形式呈现的。这些算法描述和表达是被数据处理领域的技术人员使用，以便最有效地向本领域一般技术人员传达工作内容的方法。这里的算法，通常被认为是自相一致的、导致预期结果的系列操作。所述操作是那些要求得到物理量的物理操作。尽管通常这些物理量未必表现为可用于被存储、被传输、被结合、被对比、等其他操作的电信号或者磁信号。主要为了通用的原因，有时将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字或诸如此类，已经证明是方便的。

所有的方法和过程，虽然以一个特定的序列或顺序示出，除非另有说明，所述动作的顺序可以被修改。因此，上文所述的方法和过程应当作为示例被理解，也可以按照不同的顺序执行，一些动作可以并行地执行。此外，在本发明的各种实施方式中一个或多个动作可以被省略；因此，在每一个实施中，并不是需要所有的动作。其他的过程的流程是可能的。

本文的具体实施方式中没有详细列举的安装方式、控制参数等，属于行业公知技术、或者根据基本力学知识或者控制知识能够容易得到，本领域内一般工程技术人员可以根据具体情况灵活选择。但是任何包括了本发明技术特征的技术方案、技术设计等，都落入本发明的保护范围。

虽然本发明明确强调了对角动量装置进行角动量管理是利用了重力所产生的力矩，但是在转弯等机动场景使用重力沿着某一方向分量所产生的力矩进行角动量管理的技术方案也落入本发明的保护范围。

由于从客观原理上，若要不依靠辅助支撑而实现甚长时间无轮距车辆的静止，就只有本文所描述的技术方案是可行的，因此无论使用何种术语描述，使用何种变形的控制策略或者增加中间环节，只要是基于本发明原理的、能够实现甚长时间无轮距车辆静止的技术，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种无轮距车辆控制系统，包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器控制整车重心的方式为：倾斜整车。

3.如权利要求2所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制角动量装置输出沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

4.如权利要求2所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体还包括可调节的气动舵面或者可调节的气动喷口，所述气动舵面在车辆行进时与空气的相对运动产生气动力，所述气动喷口由于涡轮或者扇叶的旋转而喷出或者吸入气体产生气动力，所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制车辆气动舵面产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，或者通过控制气动喷口的气动力产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。

5.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体还包括配重单元和配重位置调节装置，所述配重位置调节装置至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上能够调节所述配重单元的位置，所述控制器控制整车重心的方式为：通过所述配重位置调节装置，至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制配重单元相对于车体的位置。

6.如权利要求5所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述配重单元为所述角动量装置。

7.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体包括底盘和位于底盘之上的车身，底盘具有移动车身相对于底盘位置的功能，所述控制器控制整车重心的方式为：至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制所述车身相对于底盘的位置，从而控制整车重心。

8.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车轮数目不少于两个，且所有车轮都具有转向能力；所述控制器控制整车重心的方式为：控制所有车轮转向同一方向，车轮所在面与车轮接地点连线的夹角非零，控制器通过控制车轮的转动方向或者转动速度，对整车施加力矩。

9.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包括姿态敏感器，所述姿态敏感器包括陀螺仪或者角速度计，所述姿态敏感单元至少检测整车沿车轮接地点连线方向上的姿态或者角速度。

10.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包括加速度计，所述加速度计至少检测整车沿垂直于车轮接地点连线的水平方向上的加速度。

11.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包含车轮转速计，所述车轮转速计检测车轮的旋转速度，用于控制器对车辆行进速度的计算。

12.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包含车轮扭转角度计，所述车轮扭转角度计检测车轮转轴方向，用于控制器对车辆转弯半径的计算。

13.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含控制力矩陀螺(CMG)，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向(即角动量方向)或者进动速度而产生力矩控制车体姿态；所述控制力矩陀螺(CMG)至少在某一垂直于车轮接地点连线的方向上有自由度。

14.如权利要求13所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含两个控制力矩陀螺(CMG)，两个控制力矩陀螺(CMG)的角动量大小相同，两个控制力矩陀螺(CMG)都通过可以旋转的框架与车体联接，通过对框架的旋转可以改变控制力矩陀螺的转轴方向(即角动量方向)，两个控制力矩陀螺(CMG)的框架的旋转方向平行但方向相反，且框架旋转方向与车轮接地点连线方向垂直，两个控制力矩陀螺(CMG)共同提供沿车轮接地点连线方向的解耦的力矩输出能力，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的框架角度或者框架旋转速度而产生力矩控制车体姿态。

15.如权利要求13所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向有三个自由度，即所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴可以在空间所有方向上进动。

16.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含定轴反作用飞轮，该定轴反作用飞轮的旋转轴沿车轮接地点连线方向，所述控制器通过控制所述定轴反作用飞轮的旋转速度和旋转方向而产生力矩控制车体姿态。

17.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含压头可调的液体泵单元、液体管路、位于液体管路中的液体，所述液体管路形成闭合回路，该闭合回路在垂直于车轮接地点连线方向的平面上投影面积不为零，所述控制器通过控制所述液体泵单元的输出压头，控制液体在液体管路中的流动速度和流动方向，从而产生力矩控制车体姿态。

18.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器控制整车重心的具体方式为：控制整车重心与车轮接地点连线所组成的平面，在原目标姿态的基础上，绕车轮接地点连线的前进方向旋转角动量卸载角度：当角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的前进方向夹角为锐角时，所述角动量卸载角度为负角度；当角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差与车轮接地点连线的后退方向夹角为锐角时，所述角动量卸载角度为正角度；

19.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，计算角动量装置的卸载力矩，控制整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，使得重力和向心力产生的力矩之和等于该卸载力矩。

20.如权利要求19所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器根据车辆行进速度和车辆转弯半径计算所需的向心加速度，控制所述角动量装置而产生力矩，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面，相对于竖直方向绕车轮接地点连线的前进方向旋转到以下角度一、角度二、角度三中的任意一个：

角度一

角度二

角度三为关于θ的方程在区间的解

21.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述无轮距车辆是两轮汽车或者两轮摩托车，具有一前一后两个车轮。

22.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述无轮距车辆是单轨火车。

23.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述无轮距车辆是独轮车，只具有一个车轮。

24.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述无轮距车辆是电动车，具有电能存储装置、驱动车轮旋转的电机，所述电能存储装置与所述驱动车轮旋转的电机相联接，为所述驱动车轮旋转的电机提供电能或者保存其回馈电能，所述电能存储装置可以多次补充电能，所述电能存储装置经过车载电力系统为角动量装置、运动状态敏感单元和控制器供电，所述车载电力系统完成电压、电流转换；所述控制器包含存储器、微处理器、电机控制器，所述存储器存储了所有的控制程序，所述控制程序是用计算机语言或者可执行指令描述的控制算法和参数，所述控制器读取所属存储器的控制程序，完成控制程序的计算并将计算结果输出到电机控制器，所述电机控制器是电子芯片或者电子电路，接收控制信号并输出相匹配的控制电压或者电流，从而驱动电机。

25.一种无轮距车辆控制方法，所述无轮距车辆包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接，所述无轮距车辆控制方法的特征在于：

26.如权利要求25所述的一种无轮距车辆控制方法，其特征在于：所述控制器控制整车重心的方式是，根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，计算角动量装置的卸载力矩，根据计算出的卸载力矩，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，使得重力和向心力产生的力矩之和等于该卸载力矩。

27.如权利要求25所述的一种无轮距车辆控制方法，其特征在于：所述控制器控制整车重心的方式是，根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，辨识整车重心位置，根据辨识出的整车重心位置进行控制，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差。