CN106267790B - 一种自动控制的扭动双轮滑板车及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控制的扭动双轮滑板车及控制方法，主要包括前摇摆板、后摇摆板、前惰轮、后惰轮、伺服电机、连接块、传感器组、电池组和控制器。前摇摆板和后摇摆板之间通过伺服电机连接，用户在滑板车上前后摆动时，控制器配合用户的节奏驱动伺服电机进行正反转，从而提高扭动的效率，实现加速前进、高效转弯功能。控制器根据陀螺仪的监测数据调整伺服电机的输出，尽量使滑板车保持平衡状态，为初学者提供很好的平衡辅助。伺服电机、电池组等部件均安装在滑板车下方，可以显著降低重心，有效提高滑板车摆动时的稳定性和平衡效果，控制器的操控性得到较大提高。本发明的结构简单、操作容易，能有效辅助用户提速和过弯，并时刻保持平衡状态。

Description

一种自动控制的扭动双轮滑板车及控制方法

技术领域

本发明涉及娱乐设备和运动器材领域，尤其涉及一种用于辅助扭动的自动控制动态平衡扭动双轮滑板车及其控制方法。

背景技术

二轮驱动的交通工具包括自行车和摩托车，它们是前后轮配置，靠人工驾驶和平衡，但正在向自动平衡方面发展并转向娱乐化。十多年前出现的以Segway为代表的双轮平衡车自带动力，两轮并排配置，具有极好的平衡性和驾驶性，可用于室内外短途交通，非常便捷，并且极具娱乐性。

目前有种二轮单轨道平衡滑板车颇受青少年喜欢，可用于短距离交通和娱乐健身。这种滑板车通过人的双脚分别踩踏前后摇摆板进行扭动，实现滑板车前进和转弯等动作，并在行使过程中保持滑板车平衡。虽然这种滑板车踩踏动作简单(双脚小幅扭动)，但操作起来不容易，就像自行车一样需要使用者进行一段时间的训练，才能熟练驾驭。而且这种纯人力驱动的滑板车对用户体能要求较大，不利于作为短途交通工具和进行长时间娱乐活动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以提高扭动效率、减少体能消耗，并辅助用户实现平衡的扭动双轮滑板车。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述双轮滑板车的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种自动控制的扭动双轮滑板车，主要包括前摇摆板、后摇摆板、前惰轮、后惰轮、伺服电机、连接块、传感器组、电池组和控制器。所述前惰轮与前摇摆板连接，可绕前摇摆板转动，所述后惰轮与后摇摆板连接，可绕后摇摆板转动。所述伺服电机和电池组安装在前摇摆板上，连接块安装在后摇摆板上，所述伺服电机的输出轴与连接块固定，使前摇摆板与后摇摆板建立连接，并在伺服电机的驱动下摇摆前进。所述控制器安装在前摇摆板上，分别与伺服电机、传感器组和电池组连接，用于控制伺服电机，接收传感器组的反馈数据。

具体的，所述传感器组包括用于监测滑板车姿势的第一陀螺仪和第二陀螺仪、用于测量惰轮转向角度的第一转角传感器和第二转角传感器、用于测量惰轮速度的第一转速传感器和第二转速传感器、以及用于检测摇摆板上压力的第一压力传感器和第二压力传感器。所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别安装在前摇摆板和后摇摆板上，在工作时，用于监测使用者的动作和意图。所述第一转角传感器和第二转角传感器分别安装在前摇摆板与前惰轮的连接处和后摇摆板与后惰轮的连接处，监测前惰轮和后惰轮的转动角度，用于转弯的辅助判断。所述第一转速传感器和第二转速传感器分别安装在前惰轮和后惰轮的转轴上，检测前惰轮和后惰轮的转速，用于判断滑板车当前的车速及调整伺服电机的转动频率。所述第一压力传感器和第二压力传感器分别安装在前摇摆板和后摇摆板上，监测是否有用户踏在滑板车上。所述控制器分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一转角传感器、第二转角传感器、第一转速传感器、第二转速传感器、第一压力传感器和第二压力传感器连接，接收传感器的反馈数据，用于调整伺服电机的输出。

作为本发明的优选方案，所述伺服电机、连接块和电池组均安装在滑板车的下方，这样设计降低了整机的重心，有利于提高滑板车的稳定性和平衡性，同时让双轮滑板车的上方留有更多空间供用户使用。

进一步的，所述伺服电机和连接块的安装位置可互换，同样可以实现相同的功能，起相同的作用。

作为本发明的优选方案，所述前惰轮的转向轴线与前摇摆板平面倾斜，所述后惰轮的转向轴线与后摇摆板平面倾斜。该倾斜结构可以实现当前后摇摆板摆动时，前后惰轮受到压迫向特定方向转动，可以提高双轮机器人的转动效率的目的。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种自动控制的扭动双轮滑板车的控制方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤S1:双轮滑板车上电启动，伺服电机复位使前后摇摆板恢复到水平位置，并检测所有传感器(陀螺仪、转角传感器、转速传感器、压力传感器)是否正常，若出现故障，伺服电机则不工作，直到故障修复为止。

步骤S2:检测压力信号(前后压力传感器的值)来判断是否有用户骑在上方，若无压力信号，伺服电机则处于待机状态。

步骤S3:当检测到用户骑上滑板车后，通过监测传感器(陀螺仪为主，转角传感器、转速传感器为辅)的数值来判断用户前进、加速和转弯意图。

其中，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:根据陀螺仪和转角传感器的检测数据并结合前摇摆板倾斜的时间去判断用户是否需要转弯，当判断的结果是需要执行转弯时，伺服电机则驱动前摇摆板倾向转弯的一侧，后摇摆板倾向转弯的另一侧，并对伺服电机进行锁定，保持两块摇摆板的姿态，提高转弯效率。

步骤S32:根据转速传感器和前后摇摆板摆动的频率数据来判断用户是否要提速，若判断结果为需要执行提速时，电机则提高摆动的频率和幅度，辅助用户加快前进速度，减少用户的体能消耗。

本发明的工作过程和原理是：本发明的前摇摆板和后摇摆板之间通过伺服电机连接，用户在滑板车上前后摆动时，控制器配合用户的节奏驱动伺服电机按照一定频率进行正反转，从而提高扭动的效率，实现快速、加速前进、高效转弯的功能。其次，控制器会根据陀螺仪的监测数据实时调整伺服电机的输出，尽量使滑板车时刻保持平衡状态，该设定为初学者提供很好的平衡辅助作用。另外，伺服电机、电池组等部件均安装在滑板车下方，该设计显著降低滑板车的重心，使其更接近地面，能有效提高滑板车摆动时的稳定性和平衡效果，控制器的操控性同样得到较大提高。本发明的结构简单、操作容易，能有效辅助用户提速和过弯，并时刻保持平衡状态。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明提供的扭动双轮滑板车重心低，能够有效提高摆动时的稳定性，显著改善滑板车的平衡效果。

(2)本发明通过陀螺仪来监测滑板车的摆动状态，控制器时刻分析滑板车的姿态数据，并调整伺服电机的输出，让滑板车保持平衡状态。

(3)本发明通过预测并判断用户的操作意图，及时调整伺服电机的输出，提高滑板车的扭动效率，减少用户的体能消耗，使滑板车获得更好的加速和转弯效果。

附图说明

图1是本发明所提供的自动控制扭动双轮滑板车的立体图。

图2是本发明所提供的转速传感器的结构示意图。

图3是本发明所提供的扭动双轮滑板车控制框图。

图4是本发明所提供的扭动双轮滑板车的控制流程图。

上述附图中的标号说明：

1-第一转角传感器、2-第一压力传感器、3-前惰轮、4-前摇摆板、5-电池组、6-控制器、7-第一陀螺仪、8-伺服电机、9-电机座、10-连接块、11-第二陀螺仪、12-第二转角传感器、13-后惰轮、14-后摇摆板、15-第二压力传感器、16-第一转速传感器、17-第二转速传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，一种自动控制的扭动双轮滑板车，主要包括前摇摆板4、后摇摆板14、前惰轮3、后惰轮13、伺服电机8、连接块10、传感器组、电池组5和控制器6。所述前惰轮3与前摇摆板4连接，可绕前摇摆板4转动，所述后惰轮13与后摇摆板14连接，可绕后摇摆板14转动。所述伺服电机8和电池组5安装在前摇摆板14上，连接块10安装在后摇摆板4上，所述伺服电机8的输出轴与连接块10固定，使前摇摆板4与后摇摆板14建立连接，并在伺服电机8的驱动下摇摆前进。所述控制器6安装在前摇摆板4上，分别与伺服电机8、传感器组和电池组5连接，用于控制伺服电机8，接收传感器组的反馈数据。

具体的，所述传感器组包括用于监测滑板车姿势的第一陀螺仪7和第二陀螺仪11、用于测量惰轮转向角度的第一转角传感器1和第二转角传感器12、用于测量惰轮速度的第一转速传感器16和第二转速传感器17、以及用于检测摇摆板上压力的第一压力传感器2和第二压力传感器15。所述第一陀螺仪7和第二陀螺仪11分别安装在前摇摆板4和后摇摆板14上，在工作时，用于监测使用者的动作和意图。所述第一转角传感器1和第二转角传感器12分别安装在前摇摆板4与前惰轮3的连接处和后摇摆板14与后惰轮13的连接处，监测前惰轮3和后惰轮13的转动角度，用于转弯的辅助判断。所述第一转速传感器16和第二转速传感器17分别安装在前惰轮3和后惰轮13的转轴上，检测前惰轮3和后惰轮13的转速，用于判断滑板车当前的车速及调整伺服电机8的转动频率。所述第一压力传感器2和第二压力传感器15分别安装在前摇摆板4和后摇摆板14上，监测是否有用户踏在滑板车上。所述控制器6分别与第一陀螺仪7、第二陀螺仪11、第一转角传感器1、第二转角传感器12、第一转速传感器16、第二转速传感器17、第一压力传感器2和第二压力传感器15连接，接收传感器的反馈数据，用于调整伺服电机8的输出。

作为本发明的优选方案，所述伺服电机8、连接块10和电池组5均安装在滑板车的下方，这样设计降低了整机的重心，有利于提高滑板车的稳定性和平衡性。

进一步的，所述伺服电机8和连接块10的安装位置可互换，同样可以实现相同的功能，起相同的作用。

作为本发明的优选方案，所述前惰轮3的转向轴线与前摇摆板4平面倾斜，所述后惰轮13的转向轴线与后摇摆板14平面倾斜。

结合图1、图2、图3和图4所示，本发明还公开了一种自动控制的扭动双轮滑板车的控制方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤S1:双轮滑板车上电启动，伺服电机8复位使前后摇摆板恢复到水平位置，并检测所有传感器(陀螺仪、转角传感器、转速传感器、压力传感器)是否正常，若出现故障，伺服电机8则不工作，直到故障修复为止。

步骤S2:检测压力信号(前后压力传感器的值)来判断是否有用户骑在上方，若无压力信号，伺服电机8则处于待机状态。

步骤S3:当检测到用户骑上滑板车后，通过监测传感器(陀螺仪为主，转角传感器、转速传感器为辅)的数值来判断用户前进、加速和转弯意图。

其中，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:根据陀螺仪和转角传感器的检测数据并结合前摇摆板4倾斜的时间去判断用户是否需要转弯，当判断的结果是需要执行转弯时，伺服电机8则驱动前摇摆板4倾向转弯的一侧，后摇摆板14倾向转弯的另一侧，并对伺服电机8进行锁定，保持两块摇摆板的姿态，提高转弯效率。

步骤S32:根据转速传感器和前后摇摆板摆动的频率数据来判断用户是否要提速，若判断结果为需要执行提速时，电机则提高摆动的频率和幅度，辅助用户加快前进速度，减少用户的体能消耗。

本发明的工作过程和原理是：本发明的前摇摆板4和后摇摆板14之间通过伺服电机8连接，用户在滑板车上前后摆动时，控制器6配合用户的节奏驱动伺服电机8按照一定频率进行正反转，从而提高扭动的效率，实现快速、加速前进、高效转弯的功能。其次，控制器6会根据陀螺仪的监测数据实时调整伺服电机8的输出，尽量使滑板车时刻保持平衡状态，该设定为初学者提供很好的平衡辅助作用。另外，伺服电机8、电池组5等部件均安装在滑板车下方，该设计显著降低滑板车的重心，使其更接近地面，能有效提高滑板车摆动时的稳定性和平衡效果，控制器6的操控性同样得到较大提高。本发明的结构简单、操作容易，能有效辅助用户提速和过弯，并时刻保持平衡状态。

实施例2：

如图1、图2、图3和图4所示，第一陀螺仪7和第二陀螺仪11分别固定在前摇摆板4和后摇摆板14上。伺服电机8通过电机座9安装在前摇摆板4下方，以降低整机的重心，有利于滑板车的稳定性和平衡性的控制。连接块10固定在后摇摆板14上。前后摇摆板通过伺服电机8和连接块10以串联的形式相互连接，形成绕伺服电机8轴的相对转动。当然，伺服电机8也可以通过电机座9安装在后摇摆板14上而连接块10固定在前摇摆板4上，实现同样的功能。第一转速传感器16和第二转速传感器17分别紧套在前惰轮3和后惰轮13的轮轴上，其外壳并分别与前摇摆板4和后摇摆板14底部固定连接，感知惰轮转轮的转速。第一转角传感器1和第二转角传感器12分别安装于前后惰轮的转盘上，感知前后惰轮的转向角度。前惰轮3和后惰轮13固定轴分别与前摇摆板4和后摇摆板14固定连接，其固定轴分别与摇摆板倾斜一个角度(不垂直)。

本发明的前后板陀螺仪的检测信号、前后惰轮转向角度传感器的信号和前后惰轮转速传感器的信号，前后压力传感器的检测信号作为反馈信息传给控制器6。控制器6接受这些信号后，控制伺服电机8旋转的速度和方向，从而对前后摇摆板的往复摆动的频率、幅值、方向进行调整，实现滑板车前进和转弯等动作，并保持平衡。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自动控制的扭动双轮滑板车，其特征在于，包括前摇摆板、后摇摆板、前惰轮、后惰轮、伺服电机、连接块、传感器组、电池组和控制器；所述前惰轮与前摇摆板连接，可绕前摇摆板转动，所述后惰轮与后摇摆板连接，可绕后摇摆板转动；所述伺服电机和电池组安装在前摇摆板上，连接块安装在后摇摆板上，所述伺服电机的输出轴与连接块固定，使前摇摆板与后摇摆板建立连接，并在伺服电机的驱动下摇摆前进；所述控制器安装在前摇摆板上，分别与伺服电机、传感器组和电池组连接；

所述传感器组包括用于监测滑板车姿势的第一陀螺仪和第二陀螺仪、用于测量惰轮转向角度的第一转角传感器和第二转角传感器、用于测量惰轮速度的第一转速传感器和第二转速传感器、以及用于检测摇摆板上压力的第一压力传感器和第二压力传感器；所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别安装在前摇摆板和后摇摆板上；所述第一转角传感器和第二转角传感器分别安装在前摇摆板与前惰轮的连接处和后摇摆板与后惰轮的连接处；所述第一转速传感器和第二转速传感器分别安装在前惰轮和后惰轮的转轴上；所述第一压力传感器和第二压力传感器分别安装在前摇摆板和后摇摆板上；所述控制器分别与第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一转角传感器、第二转角传感器、第一转速传感器、第二转速传感器、第一压力传感器和第二压力传感器连接，接收传感器的反馈数据。

2.根据权利要求1所述的自动控制的扭动双轮滑板车，其特征在于，所述伺服电机、连接块和电池组均安装在滑板车的下方。

3.根据权利要求1所述的自动控制的扭动双轮滑板车，其特征在于，所述伺服电机和连接块的安装位置可互换。

4.根据权利要求1所述的自动控制的扭动双轮滑板车，其特征在于，所述前惰轮的转向轴线与前摇摆板平面倾斜，所述后惰轮的转向轴线与后摇摆板平面倾斜。

5.一种自动控制的扭动双轮滑板车的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1:双轮滑板车上电启动，电机复位并检测所有传感器是否正常，若出现故障则停止工作；

步骤S2:检测压力信号判断是否有用户骑在上方，若无压力信号，使伺服电机处于待机状态；

步骤S3:检测到用户骑上滑板车后，通过传感器判断用户前进、加速和转弯意图并执行对应操作；

所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S31:根据陀螺仪和转角传感器的检测数据并结合前摇摆板倾斜的时间去判断用户是否需要转弯，若需要执行转弯，伺服电机则驱动转向并锁定；

步骤S32:根据转速传感器和前后摇摆板摆动的频率数据来判断用户是否需要提速，若要提速，电机则提高摆动的频率和幅度使双轮滑板车加速前进。