CN106553728A - 自平衡式运输车辆 - Google Patents

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CN106553728A CN201610325725.7A CN201610325725A CN106553728A CN 106553728 A CN106553728 A CN 106553728A CN 201610325725 A CN201610325725 A CN 201610325725A CN 106553728 A CN106553728 A CN 106553728A
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Abstract

本发明涉及自平衡式运输车辆,包括:支撑平台外壳,包括第一、二脚放置部和提供支撑平台俯仰角数据的惯性传感器;与第一、二脚放置部相联的第一、二车轮,相互间隔开且平行;驱动第一、二车轮的第一、二驱动电机;提供第一脚放置部的第一负载数据的负载传感器和提供第二脚放置部的第二负载数据的负载传感器,第一负载数据包括第一脚放置部的第一前部负载数据和第一后部负载数据,第二负载数据包括第二脚放置部的第二前部负载数据和第二后部负载数据;控制电路,连接至第一、二驱动电机,用来响应于俯仰角数据向第一、二车轮传输平衡转矩信号以使支撑平台外壳自平衡,还用来响应于第一、二负载数据向第一、二车轮传输转向转矩信号。

Description

自平衡式运输车辆
交叉引用相关申请
本申请要求由Daniel Bryan Laird Edney于2015年9月24日提交的、名称为“Self-Balancing Scooter(自平衡滑板车)”的美国临时申请No.62/222,779的优先权。通过引用把该美国临时申请全体合并于此。
技术领域
本发明涉及两轮自平衡电动个人运输车辆。
背景技术
自平衡车辆技术对于机械工程师来说已经是众所周知很多年了。例如,五十多年前,颁发给发明人Malick的美国专利No.3,399,742(“’742专利”)“Powered Unicycle(电动单轮车)”公开了一种自平衡单轮车,其采用“竖直感测陀螺仪”来减少骑乘者不断地“维持竖直平衡”的需要。当单轮车骑乘者重量前移时,竖直感测陀螺仪感测重量转移并且促使车轮增大转速以补偿前倾。当骑乘者重量后移时,竖直感测陀螺仪再次感测重量的后移并促使车轮的转速减慢以补偿后移。因此,车辆的速度由骑乘者“前移和后移重量”来控制(’742专利,第8栏第56-68行)。
Kamen等的美国专利US5,701,965“Human Transporter(人运输器)”教导了一种两轮平衡滑板车或者平衡轮椅,其通过主动控制车轮以按倒立摆方式调节整个车辆和骑乘者组合的倾斜来使骑乘者平衡。骑乘者握住把手地坐或者站在车辆上,采用角度传感器或者水平传感器(例如陀螺仪)来测量装置的倾斜,并且控制系统施加合适的电机转矩来保持装置正直。因此,骑乘者通过倾斜来控制车辆的前进倒退运动。
在1998年颁布给Dean Kamen等的美国专利US5,791,425“Control Loop for Transportation Vehicles”(“运输车辆的控制回路”)(“’425专利”)中公开了两轮自平衡车的其它例子。’425专利公开了几种两轮自平衡车,在所包括的一种两轮自平衡车中,骑乘者站在安装于两个车轮之间的平台上、抓住安装在连接至平台的支柱上的一组车把手并且借助于安装在把手手柄上的操纵杆来转向(参见’425专利的图21和第9栏第33行)。’425专利还论述了一种两轮车的替代形式,通过给车辆上的站立平台配备力传感器以检测骑乘者倾斜而避免了把手和操纵杆的组合。所提供的力传感器“感测左倾和右倾”并且相关的控制器“根据所感测的倾斜”使车辆左右转向(’425专利第9栏第20-23行)。
’425专利还描述了使用“俯仰传感器”来感测车辆的俯仰并且将其提供给电机控制回路,以使得如果骑乘者前倾或者后倾,则车辆响应于维持竖立平衡而向前或者向后驱动。(’425专利第9栏第14-20行)。
近来,用于站立骑乘者的两轮电动自平衡车(通常也称为“悬浮滑板(hoverboard)”)已经成为个人运输车辆的众所周知的流行形式。传统的悬浮滑板是自平衡电动车,其包括由中心枢轴连接起来的两半平台,在每个平台的端部上安装有车轮。每个平台通常具有至少两个传感器,一般为陀螺仪和加速计,以用于分别检测相对于重力方向的角度和变化率。控制电路和关联的软件或固件使用来自传感器的数据来独立地控制连接至各个车轮的电机并且使两侧的每个平台自平衡。因此,如果使用者向前倾斜左脚平台,则给左侧车轮施加正向转矩以驱使左脚平台自平衡。如果使用者向后倾斜右脚平台,则给右侧车轮施加反向转矩来驱使右脚平台自平衡。如果使用者向前倾斜左脚平台并且向后倾斜右脚平台,则分别给左侧车轮和右侧车轮施加正反向转矩,以使得悬浮滑板沿大致顺时针方向旋转。
在于2014年5月27日颁发给Shan Chen的美国专利No.8,738,278(“’278专利”)“具有可独立移动的脚放置部的两轮自平衡车辆(Two-Wheel Self-Balancing Vehicle with Independently MovableFoot Placement Sections)”中描述了上述悬浮滑板型两轮电动自平衡车的一个例子。’278专利公开了两轮自平衡车,其允许使用者两只脚站立地骑行,每只脚处于可独立移动的脚放置部(或者平台)上。因此,骑乘者可以通过每个脚放置部彼此独立地移动来独立地控制每个车轮。车辆每侧具有各自的位置传感器(可以是“陀螺仪传感器”)以感测平台的俯仰(在’278专利中称为“倾斜”或者有时只是称为“位置”)。传感器提供了对各个平台板的位置独立的测量,并且采用所感测的位置信息来驱动相应电机和连接至每个平台的车轮(’278专利的第3栏第4-11行)。在脚位置可独立地倾斜的滑板车中,通过使用者以不同角度地倾斜左侧脚放置部和右侧脚放置部以使左侧车轮和右侧车轮差速运动来实现转向。各个电机对与每个脚放置部相关联的车轮的驱动提供独立控制。
‘278专利还公开了两轮自平衡车的替代形式,其中,可以使用单个框架或者外壳来包封两个可独立移动的脚放置部,但是该单个框架或者外壳保持“足够柔性”,板的两半“实际上”是相对于彼此“独立地移动”的两个部分以用于“独立控制”车轮。(参见’278专利第4栏第27-33行)。
因此,两轮自平衡电动车在本领域中已知多年。本领域已知的平衡式两轮滑板车使用把手输入、骑乘者倾斜输入或者可独立移动的脚放置部来提供转向或者变向输入。
传统的悬浮滑板构造具有若干已知缺点。每个脚平台侧需要独立的一组位置传感器,左侧一组和右侧一组,其中,每组一般包括陀螺仪和加速计,从而增加了成本、重量和复杂性。可独立倾斜脚位置的滑板车具有其它缺点,其中,当踏上或者离开滑板车时两侧的独立平衡控制算法会引起不希望有的运动和不稳定性,从而增大了骑乘者的受伤风险。
一般用于提供独立倾斜脚位置的中心枢轴也增加了悬浮滑板的成本、重量和复杂性,且可独立倾斜的侧部会让使用者感觉到不太稳定并且因此更危险。可独立倾斜的侧部还使得使用者抓握传统悬浮滑板很麻烦,因为各侧可单独移动的这种要求大体上杜绝了横跨两侧设置把手或者其它刚性结构。这使得使用者难以用一只手或者甚至两只手来舒适地携带悬浮滑板。中心枢轴的存在迫使用于电机的电池和控制电路不得不设置在悬浮滑板的左侧或者右侧,而不是更佳地处于在悬浮滑板中心的重心处,这也进一步增加了悬浮滑板的麻烦性。
此外,按传统方式构造的悬浮滑板需要用于检测有无骑乘者的额外器件。某些操作模式需要检测骑乘者在每侧的重量。电动自平衡车中用于检测相对于重力的角度和变化率的传统传感器(例如陀螺仪和加速计)不具有检测对象(例如,在悬浮滑板上的骑乘者)重量的能力。因此,一般使用额外传感器(例如,光电传感器)来检测每侧重量的有无。这些额外传感器会增大悬浮滑板构造的成本和复杂性。另外,这些传感器通常确认是否有超过某一阈值的重量并且给出二进制是/否的结果。它们不能测量所施加的超过阈值的重量的大小,因此不能确定总重量是否超过规定极限或者不能描述如何横跨装置分布或者平衡重量。
发明内容
一种便携式两轮自平衡个人运输车辆,其采用单个支撑平台来提供增大的稳定性。本发明的实施例提供了单个支撑平台外壳,其中,支撑平台外壳包封的内部空间用于容纳电池电源和车辆控制电路。本发明的一个示例性实施例包括第一脚放置部、第二脚放置部和用于提供平台俯仰角数据的一个或多个惯性传感器。该车辆是两轮的,具有与第一脚放置部相联的第一车轮和与第二脚放置部相联的第二车轮,第一和第二车轮间隔开并且基本上相互平行,其中,每个车轮由关联的电机独立地驱动。使用来自用于提供第一脚放置部的第一负载数据的至少一个负载传感器的数据和来自用于提供第二脚放置部的第二负载数据的至少一个负载传感器的数据来控制车辆。在本发明的示例性实施例中,第一负载数据和第二负载数据各自包括来自两个负载传感器的数据,其中,第一负载数据包括第一前部负载数据和第一后部负载数据,并且第二负载数据包括第二前部负载数据和第二后部负载数据。控制电路连接至第一和第二驱动电机,用来响应于俯仰角数据向第一和第二车轮传输信号以使支撑平台自平衡,并且还可用来响应于第一和第二前部和后部负载数据向第一和第二车轮传输一个或多个转矩信号以使车辆转向或者确定车辆的行进方向。在本发明的示例性实施例中,至少一个手提把手基本上横跨支撑平台外壳一侧的程度并且构成支撑平台外壳的一体部件。
下面将更充分地描述这些及其它实施例。
附图说明
在所附权利要求中阐明了本发明的新颖特征。然而,为了说明目的,参照以下附图来描述本发明具体实施例的若干方面。
图1是根据本发明实施例具有单个平台部的两轮自平衡个人运输车辆的立体图。
图2是图1中所示实施例的前视图,后视图为镜像。
图3a是根据本发明实施例具有单个平台部的两轮自平衡个人运输车辆的底盘结构的俯视图。
图3b是图3a中所示底盘结构实施例的侧视图。
图3c是图3a中所示底盘结构实施例的前视图。
图4a是根据本发明另一实施例具有单个平台部的两轮自平衡个人运输车辆的底盘结构的俯视图。
图4b是图4a中所示底盘结构实施例的侧视图。
图4c是图4a中所示底盘结构实施例的前视图。
图5是图1中所示本发明实施例的前视剖视图。
图6是图1中所示本发明实施例的俯视分解立体图。
图7是图1中所示本发明实施例的控制系统700的方框图。
具体实施方式
以下给出的说明用于使本领域技术人员能够做出和使用本发明的实施例,并且是在特定应用及应用要求的背景中来提供的。对示例性实施例的各种改型对本领域技术人员来说是显见的,并且这些实施例中所定义的一般性原理可以在不脱离发明精神和范围的情况下应用于其它实施例和应用。因此,本发明不限于所示实施例,而是应给予符合所公开原理和特征的最宽范围。
参见图1,示出了根据本发明实施例的具有单个平台部的两轮自平衡个人运输车辆(也称作“车辆”、“悬浮滑板”或者“滑板车”)的立体图。
车辆100包括单个平台部110。平台部110可以是由金属、坚固塑料、木材或者其它基本上刚性材料构造成的。平台部包括第一和第二脚放置部或者脚放置区120和130。在一个实施例中,平台部110可以是由一个或多个部件(例如,顶部部件和底部部件)组成的,这些部件可以装配到一起并且利用螺钉、夹子、螺栓等紧固到一起,并且当紧固到一起时所包含的空间可以包围和包括底盘结构,该底盘结构将为平台部提供附加的支撑以及为控制电路、力传感器、电池及其它部件提供支撑。
第一和第二脚放置部优选均具有足以供使用者的脚站立的尺寸。第一和第二脚放置部120和130可以是形成为平台部110的一体部件,或者可以附连到平台部110的表面上。第一和第二脚放置部120和130可以包括由橡胶或其它材料制成的具有凹槽或者其它形式隆起表面的踏面,以当使用者(例如骑乘者)站在平台上时用于脚的抓地性和/或舒适性。车轮140和150位于平台部110的两个平行侧。在优选实施例中,每个车轮包括集成的驱动电机(图1中未示出)并且优选通过轴(图1中也未示出)连接至平台部110。平台部110可以起到底盘的外壳结构的作用,以便为车辆提供机械支撑和结构以及提供用于定位为电机供电的电池的平台。平台部110还可以包括如本节中进一步描述的内部控制电路和传感器部件。
在优选实施例中,单个按钮160可以设置在车辆平台部110的表面上,以用于打开或关闭整个单元。最优选是,按钮160也可以由多色的LED点亮,以便如下进一步描述地发出信号显示装置状态。
在一个实施例中,闪光的色图案和光图案、断续闪光或者持续灯光可以表示车辆的状态。在示例性实施例中,按钮LED灯可以发出信号显示以下车辆状态:断电、电池电量充足的平衡模式、电池电量部分耗尽的平衡模式、电池电量低的平衡模式、电池电量非常低的平衡模式、休眠模式、停止模式、平衡错误和检测。
在一个实施例中,音频指示输出也可以存在于车辆上,或者可以经由蓝牙或者其它无线或有线连接发送至使用者的智能手机或者其它计算装置。输出优选产生不同的有特色的蜂鸣声、音调、说话、曲调或者其它声响,以表示状态,例如:通电、断电、电池电量低、操作错误或者平衡错误。
在优选实施例中,在两个车轮之间沿着平台的一个或两个纵向侧面可以包括一个或多个手提把手170和175,以便于容易用手搬运车辆100。更优选是,把手170和175均是由沿平台纵向侧面的侧向中点两等分的。在一个实施例中,每个把手170和175为平台部110的一体部件,并且在平台部110中提供了开口,以舒适地配合使用者的手并且允许使用者舒适地抓握车辆100。替代地,当用手搬运车辆时,手提把手170和175可以(例如经由夹子或者带子)分别地附连至平台部110以便使平台部110的可用站立表面最大,或者当不使用时甚至可以折叠在平台部110的下面。
在优选实施例中,在车辆平台的前侧和后侧均可以包括一组行进灯。最优选是,每组行进灯是一列红白LED。当车辆处于运动时,根据当前运动方向在前侧点亮白色LED,并且在后侧点亮红色LED。当停止时,可以在两侧点亮红色LED。图2示出了本发明的车辆200的实施例,示出了具有一组LED行进灯210的车辆200的前视图。
车辆200可以具有多种操作模式。在优选实施例中,操作模式如下。在启动时,车辆执行自检测。在本发明的一个实施例中,如果检测到的重量接近零且稳定并且单元未倒置或者未处于别的错误位置(例如,当支撑平台太向下或者太向上倾斜时)并且单元未明显地处于运动,则控制电路将使负载传感器为空值(或者“皮重”)。这意味着,通过将空值/皮重读数视为零值并且从任何将来的读数中减去它来消除在零读数方面的任何偏移或者漂移。其它操作模式包括:
休眠(最少的电力耗费);
停止(抵制运动以便使用者易于上下);
平衡(正常骑行,主动控制平衡和转向或变向);和
关闭(完全断电)。
在一些实施例中,车辆控制器具有操作锁定模式。可以通过来自于配置成与能够进行射频识别的便携式电子装置或者其它电子装置进行通信的射频(RF)通信模块发射的信号来进入或者退出操作锁定模式。当处于锁定模式时,控制器不会按正常方式驱动电机并且因此直到退出锁定模式才允许使用车辆。便携式电子装置可以是智能手机、平板电脑、便携式计算机、密钥卡或者本领域已知的其它装置。RF通信模块可以使用低功耗蓝牙协议、RFID或者本领域中已知的任何其它通信协议。借助于可视指示(例如LED行进灯210上的LED彩色照明或照明图案)或者借助于可听指示(例如发出蜂鸣声、音调或者说话通知)或者简单地通过不动作(例如,车轮不移动),车辆可以显示其处于锁定模式。
在优选实施例中,模式之间的转换可以如下进行:
休眠到停止:当检测到任何运动或者重量时发生转换;
休眠到关闭:在预定时间周期(例如,15分钟)之后发生转换;
停止到休眠:当在预定时间周期(例如,1分钟)未检测到重量或者运动时发生转换;
停止到平衡:当两只脚上的重量超过预定阈值(例如,10kg)并且板接近正直时发生转换;
平衡到停止:当速度低于预定阈值(例如,0.5m/s)或者一只脚上的重量低于预定阈值(例如,5kg)时发生转换;
关闭到停止:如果按压电源按钮160;和
任何其它模式到关闭:如果按压电源按钮160或者如果电池耗尽。
在本发明一个实施例中,通过基于陀螺仪传感器和方向传感器进行的主动控制来平衡车辆的单个平台,陀螺仪传感器和定向传感器向位于车辆外壳内的控制电路提供俯仰或者倾斜数据。通过位于使用者每只脚下面的负载传感器来实现转向或变向。在优选实施例中,负载传感器位于平台的第一和第二脚放置部每一个下面,靠近每个脚放置部的外缘,且相对邻近车轮。在示例性实施例中,负载传感器用来感测力(例如使用者的重量),并且每个脚放置部下面的一组至少两个或更多个负载传感器测量每只脚前部和后部的重量分布。当在上下期间骑乘者的仅一只脚处于板上时,板可以抵制运动以使得处于静止。
图3a示出了根据本发明一个实施例的车辆底盘300的俯视图。图3b和3c分别示出了图3a中所示车辆底盘的侧视图和前视图。在图3a、3b、3c和4a、4b、4c中,从图1中所示车辆上除去了单个平台的外壳。如图3a-3c中所示的底盘结构300可以是由金属或其它刚性材料制成的,并且可以连接至两个电机轴,这两个电机轴可以支撑车轮340和341并且允许车轮340和341围绕轮轴350和351转动。在一个实施例中,脚平台310和311位于底盘300的顶面上,并且经由负载传感器320、321、322、323连接至底盘300,负载传感器320、321、322、323位于底盘的顶面上和脚平台310与311的下面并且靠近最接近车轮340和341的底盘外侧拐角。在优选实施例中,支撑枢轴330和331也位于底盘的顶面上并且连接至脚平台310和311,靠近最接近底盘中心的脚平台边缘,其中,枢轴330相对于负载传感器320和322基本上处于脚放置部的另一侧,并且枢轴331相对于负载传感器321和323基本上处于脚放置部的另一侧。包括有支撑枢轴330和331是有利的,以便为负载传感器机构提供结构性支撑,特别是在不会明显地妨碍负载传感器的操作的情况下。另外,当脚平台上的重量前后转移时,枢轴构件不会在脚平台上产生显著的转矩。在优选实施例中,支撑枢轴330和331的朝上的表面为半球形,类似于球轴承的表面。支撑枢轴330和331的上部可以分别固定在脚平台310和311上。支撑枢轴330和331用来为脚平台和脚放置部提供竖直支撑,并且因此有助于确保因使用者转移重量而导致的负载变化主要是由一个或多个负载传感器来承受。
图4a示出了根据本发明另一实施例的车辆底盘400的俯视图。图4b和4c分别示出了图4a中所示车辆底盘的侧视图和前视图。在图4a、4b和4c中,从图1中所示车辆上除去了单个平台的外壳。车轮440与441、轴450与451和脚平台410与411在功能方面类似于图3a-3c中所示的对应部分。在图4a中,脚平台410和411各自由四个负载传感器支撑:脚平台410由负载传感器420、421、422和423支撑,并且脚平台411由负载传感器424、425、426和427支撑。每个负载传感器连接在底盘400与脚平台之间,其中,每个负载传感器位于靠近脚平台拐角处。
应理解的是,术语“负载传感器”可以是指测量所施加力大小的任何传感器组件或者力传感器,很多种都是本领域技术人员已知的。在本发明的优选实施例中,施加于负载传感器上的力是使用者的重量,可以称作“负载”。在一些实施例中,负载传感器可以包括(但不限于):附连至结构件上的应变片、压敏电阻材料、测量弹性构件变形的传感器、电阻随压力而变的膜片开关、压电材料、或者它们的组合。
图5是图1中所示本发明实施例的前视剖视图,示出了电池组540和用于在平台外壳520内保持控制电路的电路板590的位置。图6是图1中所示本发明实施例的俯视分解立体图,还示出了平台外壳部620内经由印刷电路板(PCB)690的控制电路。
在本发明的实施例中,控制电路包含控制系统,该控制系统配置成促使车轮平衡单个车辆平台。该控制系统使用惯性传感器来感测车辆的各个俯仰值和角速度值。当板从中立位置前倾时,沿向前方向驱动车轮。当板从中立位置后倾时,沿反向驱动车轮。因此,骑乘者/使用者可以通过使板前后俯仰来使车辆前后移动。
在一些实施例中,车辆具有转向系统以控制车辆的转向或者变向,从而控制电路配置成通过根据两个脚平台上的前后重量分布而更改关联电机的转矩来独立地控制每个车轮。转向包括变向或者以其它方式控制车辆运动的方向。
在一些实施例中,由控制电路逻辑来确定分别要施加于左右车轮的转矩。在一些实施例中,控制电路采用有关平衡的输入和有关转向的输入两者。此外,控制电路逻辑可以设计成能提供反映平衡和转向两者所需转矩的输出。至少部分地根据有关平衡的输入和有关转向的输入,控制电路可以提供包括分别要施加于第一和第二(或者左右)车轮的转矩的大小和方向的输出。在一些实施例中,可以使用包括陀螺仪和加速计的惯性传感器来提供有关平衡的输入。在一些实施例中,可以使用平台左侧的一个或多个负载传感器和平台右侧的一个或多个负载传感器(优选可以邻近脚放置部)来提供有关转向的输入。例如,本发明的一些实施例在每个脚放置部处提供了至少两个负载传感器。其它实施例在每个脚放置部处可以包括至少四个负载传感器。其它实施例在每个脚放置部处可以包括至少八个负载传感器。这些传感器可以按本领域已知的各种构造和布置地设置。在优选实施例中,每侧具有如图3a-3c中所示地设置的两个负载传感器和一个支撑枢轴。
在一些实施例中,可以将单独的左侧负载传感器输入和单独的右侧负载传感器输入用作有关转向的输入。左侧负载传感器输入可以包括来自左侧的一个或多个负载传感器的输入,并且右侧负载传感器输入可以包括来自右侧的一个或多个负载传感器的输入。控制电路可以整合左侧负载传感器输入和右侧负载传感器输入以及有关平衡的输入,以产生施加于正在驱动车轮的电机的转矩信号。选择性地,可以根据仅来自右侧的负载传感器输入来确定要施加于右侧车轮的转向转矩,并且可以根据仅来自左侧的负载传感器输入来确定要施加于左侧车轮的转向转矩。此外,如以上所述,在本发明的一些实施例中,还可以部分地根据从惯性传感器所接收的数据来确定可以施加于第一和第二车轮的总转矩。在本发明的一些实施例中,惯性传感器的数据可以涉及整个平台,而不是仅涉及两个脚放置部中特定的一个。
在一些实施例中,可以在控制电路的逻辑中分别地处理有关平衡的传感器数据和有关转向的传感器数据。在本发明的优选实施例中,第一脚放置部的脚趾部与足跟部之间的第一重量差可以不同于第二脚放置部的脚趾部与足跟部之间的第二重量差,并且这两个差值可以用来确定要施加于每个车轮的转向转矩信号。
如上所述,在本发明的一些实施例中,控制电路采用来自负载传感器的数据控制单个车辆平台的转向。例如,如果使用者朝向左脚趾和右足跟转移重量,则车辆将向右转。如果使用者朝向左足跟和右脚趾转移重量,则车辆将向左转。这样,部分地是通过使用者重量前移在一只脚上并且后移在另一只脚上的程度来确定转向输入。在优选实施例中,如果一只脚低于预定的重量阈值(例如,要么小于1kg,要么是另一只脚重量的5%),则转向输入设定为零。
在一个实施例中,可以如下测得转向输入:转向输入=(左前侧重量-左后侧重量+右后侧重量-右前侧重量)。
在替代实施例中,可以如下计算转向输入:转向输入2=骑乘者总重量×((右前侧重量-右后侧重量)/右侧重量-(左前侧重量-左后侧重量)/左侧重量))。
图7是本发明实施例的控制系统700的方框图。在本发明的实施例中,控制系统700可以为车辆控制电路的组成部分。控制电路可以为硬线逻辑、可编程逻辑、固件或者软件。平衡控制电路710提供平衡控制。平衡控制电路710采用由单个六轴运动传感器所提供的俯仰角数据715(也称为“相对于重力方向的角度”),该运动传感器包括陀螺仪和加速计(但平衡控制电路可以不使用所有六个轴的输出)。平衡控制电路710考虑到了角度(电路支路720)以及顶部支路730中的角度变化(d/dt)有多快两者。另外,可以包括积分支路740,以在使用者无需不断地沿期望的运动方向倾斜的情况下克服倾斜地面并且允许连续运动。在替代实施例中,来自积分支路740的输出可以是受限的或者有限的。在示例性实施例中,积分可以限于大小小于车辆电机最大转矩。在优选实施例中,积分限于车辆电机最大连续额定转矩的25%-75%。
通过这三个支路720、730和740,平衡控制电路710计算提供给两个车轮以使板平衡的转矩。比例支路720由方框744处所示的系数k2来调整。微分支路730由方框746处所示的系数k1来调整。积分支路740由方框742处所示的系数k3来调整。系数k1、k2和k3是取决于车辆实现方式的恒定值。求和电路711输出平衡转矩控制信号(例如,转矩平衡)。注意,仅存在一个来自求和电路711的平衡输出信号,其提供相同信号来控制两个车轮的平衡转矩。
转向控制电路750提供转向控制。如上所述,使用者/骑乘者通过转移在负载传感器上的重量来触发转向控制信号。转向输入760包括上述负载传感器的输出。转向输入760可以由方框752处所示的系数Ktw来调整。无论为控制右侧车轮所提供的转向转矩如何,可以为控制左侧车轮提供相反的转矩信号。“-1”的方框770表示将提供给右侧电机的转向转矩转换成用于控制左侧电机的相反值。因此,经由求和电路751和762,施加于每个车轮的转矩即右侧电机转矩780和左侧电机转矩790是平衡转矩信号(对于两个车轮是一样的)和转向转矩信号(当使用者向左或向右转向时对于各个车轮是不同的)的函数。
因此,在一些实施例中,由如上所述平衡车辆所需的转矩和基于脚平台重量分布的转向转矩两者来确定控制电路使电机所产生的车轮转矩。对平衡转矩施加转向转矩调整,在一个车轮上向前并且在另一个车轮上向后。在一个实施例中,各个车轮的总转矩可以由图7中附图标记752所示的恒定值Ktw按如下所示公式来调整:
左侧车轮转矩=平衡转矩-Ktw×转向输入
右侧车轮转矩=平衡转矩+Ktw×转向输入
施加于车辆电机的转矩导致各侧车轮把力施加于地面。如果该力在车辆各侧上不相同,则净转向力存在于车辆上,这将致使车辆和骑乘者转动。为了转向,骑乘者在第一和第二脚放置部和平台的前后施加不平衡的一组力,定义为转向输入力。
在一些实施例中,系数Ktw可以根据在某一时段上所测得的骑乘者平均重量来调整。另外,在一些实施例中,车辆可以具有速度传感器,并且控制电路可以配置成当速度增大时减小由负载传感器所测得的重量转移对车轮转矩的影响。在系数Ktw的情况中,这可以实施为在较高速度下减小Ktw值。在一些实施例中,至少在较高速度下,因偏航抑制作用也可有益于车辆的稳定性。例如,函数:转向输入3=转向输入-Ky×偏航率具有的效果是可减小干扰对偏航的影响。
在优选实施例中,如下所述地由控制电路来选择系数Ktw,并且在各侧上施加于地面的净转向力是系数Ktw与骑乘者所提供的转向输入力输入值的乘积。优选是,系数Ktw的选定依据车辆的速度而改变。在优选实施例中,在小于1米/秒的车辆速度下,Ktw选择成使得净转向力大于骑乘者所提供的力输入值的0.2倍,并且更优选介于骑乘者所提供的力输入值的1.4-0.4倍的范围内。在优选实施例中,在1到3米/秒的车辆速度下,Ktw选择成使得净转向力介于骑乘者所提供的力输入值的0.1-1.0倍的范围内,并且更优选介于骑乘者所提供的力输入值的0.15-0.6倍的范围内。在优选实施例中,在大于3米/秒的车辆速度下,Ktw选择成使得净转向力小于骑乘者所提供的力输入值的0.4倍,并且更优选介于骑乘者所提供的力输入值的0.25-0.01倍的范围内。
在一些实施例中,控制电路700具有操作停止模式,其中,对电机控制以抵制运动,当脚平台之一上的重量小于某一阈值时可以进入该模式。该操作停止模式可以允许使用者舒适地上下车辆。使用者可以安全地上下,即使停止模式未完全阻止滑板车移动,但是提供了足够的抵抗力以允许使用者踏上或踏下车辆时更舒适地平衡自身。
在一些实施例中,对于每个车轮独立地根据相对于固定位置基准的车轮位置来计算产生用于停止模式的运动抵抗力的电机转矩。固定位置基准可以是当进入停止模式或者车辆通电时记录的车轮位置。车轮位置可以由集成到车轮中的电机上的车轮位置传感器(例如磁编码器)来确定,其中,可以考虑车轮的总转数。
在一些实施例中,当处于停止模式时,与车轮测量速度成比例地来计算控制电路使电机产生的转矩:
T=-K×S
其中,T是车轮的转矩,S是车轮的测量速度,并且K是选择成产生期望抵抗力水平的恒定值。
在一些实施例中,基于车轮的位置和速度使用比例加微分(PD)法则来计算用于产生运动抵抗力的转矩。例如,
T=K2×(X-Xs)+-K1×dX/dt
其中,T是电机转矩,X是车轮位置,Xs是位置基准,dX/dt是车轮位置变化率,K1和K2是取决于实现方式的恒定值。在一实施例中,K2可以等于零,以使得仅当运动时车辆抵抗运动。
应理解的是,可以使用本领域已知的各种方法(以上所述的仅仅是示例)来计算施加于车轮以产生所公开的抵抗运动效果的转矩。
在一些实施例中,通过使电机驱动器将绕组的两端连接到一起以使得电机转动所产生的无论什么电流都能持续在绕组中环流并因此产生抵抗运动的转矩,车辆的控制电路可以无源地产生运动抵抗转矩。该方法的优点是无需从电池把显著的额外电力提取到电机绕组中。
在停止模式中,如上所述地应用平衡算法,除了可以修改参数以使得运动更柔和之外。此外,图7中分别由752和742表示的Ktw和k3在停止模式中可以为零。由于可以仅当板接近正直时允许从停止模式到平衡模式的转换,因此在刚刚转换之后平衡转矩的差别可以不是很大。这允许从一种模式到另一种模式的平滑转换。在本发明的实施例中,在从停止模式到平衡模式的转换期间,在短时间间隔(优选在800ms的范围内)从停止模式到平衡模式有线性斜坡。在本发明的实施例中,停止模式具有计算出的附加力矩,其与电机速度成比例地添加到每个电机,如上所述。
如上所述,所有的控制电路可以包含在如图6中所示的单个印刷电路板690上。在本发明的实施例中,控制电路包括:
16位的微控制器/DSP;
六轴运动传感器(陀螺仪和加速计)。在一实施例中,偏航轴线和翻滚轴线可以是不用的并且可以由软件来断电;
4个测力元件输入(负载传感器),具有可调整的零点偏移;
6个H桥电力驱动器,每个电机有3个;
每个H桥的下腿上的电流传感器;
至电池的返回路线上的电流传感器;
2个电机位置传感器输入;
红绿蓝(RGB)LED;
LED列驱动器输出;和
电池、充电输入和电机相电压监控器。
在本发明的一些实施例中,按传感器式无刷电机的通常方式来实现电机控制。由传感器输入来确定3个H桥的相位。通过反馈回路来测量和控制电流/转矩,该反馈回路调节脉宽调制(PWM)以维持电流设定点。在优选实施例中,调制方案可以是空间矢量调制。
在本发明的实施例中,通过将每个电机的最大电流限制为使得电机可以安全操控的最大电流从而来限制电机转矩。总电机转矩也限制成使得电池电流不会超过允许的最大值。当限制转矩时,如果任何额外的倾斜发生在运动方向上,则不能维持主动平衡控制。在此情况下,骑乘者会开始前倒并且会跌落或者在跌落之前必须从车辆上跳下。在本发明的一些实施例中,车辆可以具有在电机中并且优选还在电机驱动器晶体管上的温度传感器。当温度升高超过所选阈值时,减小所允许的电机最大电流。
在本发明的实施例中,操作警报用来指示潜在的平衡问题。优选是,当遇到任何以下状况时触发操作警报:
平均PWM超过最大值的85%(这相当于施加于电机的电压超过电池电压的85%,这会出现在高的车辆速度或者重的车辆负载时);
电机电流超过最大值的90%多于0.5秒(这会出现在低速度重车辆负载时);
电机驱动器晶体管温度超过预定阈值(例如,55摄氏度);和
电机绕组温度超过预定阈值(例如,66摄氏度)。
本发明的其它实施例可以包括增进特征。例如,车辆的单个平台外壳可以包括蓝牙或者其它无线方式的音频扬声器系统。外壳还可以包括其它的集成照明,其可以通过来自扬声器系统的声音或者车辆的特定运动来调节。优选是,集成到车辆中的任何蓝牙或者其它数据连接可以包括控制电路、软件或者固件,以允许使用者通过经由智能手机、平板电脑或者其它个人计算装置可访问的移动式应用来得知来自车辆的警报或者控制车辆的扬声器、运动、灯等。例如,本发明的一个实施例可以包括可经由智能手机、平板电脑或者其它便携式个人计算装置访问的移动式应用,其允许使用者通过触动智能手机上的触摸屏部分或者启动陀螺仪传感器或者加速计传感器以通电/断电、加快、减慢、变向或者倾斜车辆来遥控地驾驭车辆。在一个实施例中,遥控操纵杆或者其它输入装置还可以使得使用者能遥控车辆的转向、倾斜、加速、减速和通电/断电。
虽然已经参照所阐明的实施例来具体描述了本发明,但是应意识到,可以根据公开内容进行各种改变、改型和改进,这也在本发明的范围内。虽然已经结合认为是最实用和优选的实施例来描述了本发明,但是应明白本发明不限于所公开的实施例,相反地,意在涵盖包含在所附权利要求范围内的各种改型和等同布置。

Claims (18)

1.一种自平衡式运输车辆,包括:
支撑平台外壳,其包括第一脚放置部、第二脚放置部和一个或多个惯性传感器,惯性传感器用来提供指示支撑平台俯仰角的数据;
与第一脚放置部相联的第一车轮和与第二脚放置部相联的第二车轮,第一和第二车轮相互间隔开并且基本上相互平行;
配置成驱动第一车轮的第一驱动电机和配置成驱动第二车轮的第二驱动电机;
至少一个用来提供第一脚放置部的第一负载数据的负载传感器和至少一个用来提供第二脚放置部的第二负载数据的负载传感器,其中,第一负载数据包括第一脚放置部的第一前部负载数据和第一后部负载数据,并且第二负载数据包括第二脚放置部的第二前部负载数据和第二后部负载数据;和
控制电路,其连接至第一和第二驱动电机,并且用来响应于俯仰角数据向第一和第二车轮传输平衡转矩信号以用于使支撑平台外壳自平衡,并且还用来响应于第一和第二负载数据向第一和第二车轮传输转向转矩信号。
2.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,还包括沿着支撑平台外壳的第一部分设置的至少一个手提把手,该第一部分包括外壳的横向中点。
3.根据权利要求2所述的自平衡运输车辆,其中,所述至少一个手提把手基本上横跨支撑平台外壳一侧的长度。
4.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,至少两个负载传感器用来提供第一脚放置部的第一前部负载数据和第一后部负载数据,并且至少两个负载传感器用来提供第二脚放置部的第二前部负载数据和第二后部负载数据。
5.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,至少四个负载传感器用来提供第一脚放置部的第一负载数据,并且至少四个负载传感器用来提供第二脚放置部的第二负载数据。
6.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,负载传感器安装在支撑平台外壳内部的底盘结构上。
7.根据权利要求6所述的自平衡运输车辆,其中,在支撑平台外壳内,用来提供第一脚放置部的第一负载数据的所述至少一个负载传感器支撑着位于第一脚放置部下面的第一脚踏板,并且用来提供第二脚放置部的第二负载数据的所述至少一个负载传感器支撑着位于第二脚放置部下面的第二脚踏板。
8.根据权利要求7所述的自平衡运输车辆,还包括安装在底盘结构上的至少两个枢轴构件,其中,至少一个枢轴构件支撑第一脚踏板并且在与用来提供第一负载数据的所述至少一个负载传感器的相反侧上位于第一脚放置部下面,且至少一个枢轴构件支撑第二脚踏板并且在与用来提供第二负载数据的所述至少一个负载传感器的相反侧上位于第二脚放置部下面。
9.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路用来根据由所述至少一个负载传感器所提供的数据来确定有无施加于支撑平台外壳上的重量。
10.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路用来根据由所述至少一个负载传感器所提供的数据来确定是否在预定范围内的重量施加于支撑平台外壳的第一和第二脚放置部。
11.根据权利要求4所述的自平衡运输车辆,其中,用来提供第一脚放置部的第一负载数据的至少两个负载传感器和用来提供第二脚放置部的第二负载数据的至少两个负载传感器分别与第一和第二脚放置部相关联地布置,以产生信号来确定每个脚放置部的足跟部和脚趾部之间的重量差。
12.根据权利要求11所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路配置成当重量差指示重量朝向第一脚放置部的左侧脚趾部和第二脚放置部的右侧足跟部转移时传输一个或多个信号来调整向右转向。
13.根据权利要求11所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路配置成当重量差指示重量朝向第一脚放置部的左侧足跟部和第二脚放置部的右侧脚趾部转移时传输一个或多个信号来调整向左转向。
14.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路的净转向转矩信号包括第一因子与第二因子的乘积,第一因子包括由第一负载数据和第二负载数据所提供的转向力输入,并且第二因子包括依车辆速度而变的常数系数。
15.根据权利要求14所述的自平衡运输车辆,其中,
在小于1米/秒的速度下,净转向转矩信号包括大于或等于0.2的常数系数与转向力输入的乘积;
在1到3米/秒的速度下,净转向转矩信号包括在0.1到1.0范围内的常数系数与转向力输入的乘积;和
在大于3米/秒的速度下,净转向转矩信号包括小于或等于0.4的常数系数与转向力输入的乘积。
16.根据权利要求1所述的自平衡运输车辆,其中,控制电路配置成经由遥控路径接收遥控信号,该遥控信号指示期望的行进方向,并且控制电路用来传输信号以沿期望的行进方向调整转向。
17.一种自平衡运输车辆,包括:
支撑平台外壳,其包括第一脚放置部、第二脚放置部和一个或多个惯性传感器,惯性传感器用来提供指示支撑平台俯仰角的数据;
与第一脚放置部相联的第一车轮和与第二脚放置部相联的第二车轮,第一和第二车轮彼此间隔开并且基本上相互平行;
配置成驱动第一车轮的第一驱动电机和配置成驱动第二车轮的第二驱动电机;
用来提供第一脚放置部的至少第一与第二负载数据的第一组负载传感器和用来提供第二脚放置部的至少第一与第二负载数据的第二组负载传感器,其中,第一组和第二组负载传感器各自包括至少两个负载传感器;和
控制电路,其连接至第一和第二驱动电机,用来响应于俯仰角数据向第一和第二车轮传输平衡控制信号以用于使支撑平台外壳自平衡,并且还用来响应于第一和第二负载数据向第一和第二车轮传输一个或多个转向转矩信号。
18.根据权利要求17所述的自平衡运输车辆,其中,第一组中的至少两个负载传感器和第二组中的至少两个负载传感器分别与第一和第二脚放置部相关联地布置,以产生信号来确定每个脚放置部的足跟部与脚趾部之间的重量差。
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