CN106882341B - 一种水上自平衡车装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水上自平衡车，包括方向杆、踏板、控制盒、电池、舵机、驱动电机和螺旋桨；方向杆安置在踏板上，用于控制方向；踏板是整个平衡车的骨架，固定整辆车的结构、承载物体并检测是否有重物在上面；控制盒用于检测水上平衡车的姿态，并控制舵机和驱动电机；电池给整个水上平衡车提供电能；舵机固定在所述踏板上；驱动电机固定在所述舵机的转轴上，驱动电机的轴向与踏板表面法向量的夹角随着分别随其对应的舵机的输出角而变化；螺旋桨固定在驱动电机的转轴上，正向旋转可提供推力，推力的方向与驱动电机的轴向方向一致，舵机输出角度的不断调整和驱动电机转速的调整可以实现水上自平衡车的直立、前进、后退、转弯功能。

Description

一种水上自平衡车装置

技术领域

本发明属于自平衡车技术领域，更具体地，涉及一种水上自平衡车。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对交通工具的追求也从简单的性能到新颖和创意。这几年自平衡车的迅猛发展便说明了这一点。自平衡车是一种控制理论与实际应用结合的产物，给人对交通工具一种新的认识。自平衡车也不仅仅是一种交通工具，还是一种高档的玩具，它可以按照你身体的姿势来前进、后退。而目前来说自平衡车应用在陆地上，但很多时候水面上也是我们交通、娱乐的场所。这便需要将陆地上的自平衡车转移到水面上了。而目前还没有出现过水面上的自平衡车，陆上的自平衡车也不能直接应用到水面上，因为在陆面上平衡车是一个二维的控制，而水面上是一个三维的控制，多了一个维度，控制也会变得相对复杂。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种水上自平衡车，旨在填补水上自平衡车缺少的问题。

本发明提供了一种水上自平衡车，包括方向杆、踏板、控制盒、电池、舵机、驱动电机和螺旋桨；其中：

所述方向杆的一端通过轴承与踏板连接，方向杆转动具有摩擦力小和自动回零的特性；在轴承与踏板连接处装有霍尔传感器，霍尔传感器输出和控制盒相连，用于检测方向杆的摆角并输出摆角信息到控制盒；方向杆另一端为手持部，用于左右摆动调节方向；

所述踏板是平衡车的骨架，用轻而坚固的材料制成，用于承载人员和安装包括控制盒、方向杆、舵机、驱动电机、电池在内的部件，踏板设有重力传感器，用于检测踏板上物体的重量；重力传感器接控制盒里面的控制模块，用于传送重量数据；

所述电池安装在踏板的底部或侧部，用于给本平衡车提供电能，该电池为可充式并设有充电接口；

所述舵机包括左舵机和右舵机，对称于方向杆，固定在所述踏板底面；左右舵机的转轴可分别实现一定角度的旋转，左右驱动电机分别固定在左右舵机的转轴上，可随舵机转轴的转动的转动，从而改变驱动电机轴向方向与踏板表面法向量的夹角；从而改变电机推力方向；

所述驱动电机包括左驱动电机和右驱动电机，所述螺旋桨包括左螺旋桨和右螺旋桨，分别固定在左、右驱动电机的转轴上；左右驱动电机及左右螺旋桨分别构成左、右两套推力系统，对称于方向杆固定在所述踏板底面；驱动电机的轴向与踏板表面法向量的夹角分别随其对应的舵机的输出角而变化，所述踏板表面法向量为平衡车平置在水面上时，垂直于踏板表面向上的方向；

所述控制盒包括控制模块、传感器模块和电机驱动模块；所述控制盒安装在踏板的下方，固定在踏板的表面；所述传感器模块包括三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器；所述三维加速度传感器用于检测平衡车速度，三维陀螺仪传感器用于检测平衡车的姿态，包括倾角、加速度和偏航角；所述传感器模块所采集到的数据均传输到控制模块，控制模块接收到三维陀螺仪传感器数据和加速度传感器数据，先经过滤波算法得到姿态信息，再通过控制算法计算出当前的控制量，包括电机的转速转向和舵机的转角，将控制量传输到电机驱动模块上；所述电机驱动模块设在控制盒内，用于根据获得的控制量控制驱动电机的转速和舵机的转角，从而保持整个平衡车的运动和平衡；

工作时，平衡车启动后，舵机的初始转角为0度，驱动电机的轴向与平衡车踏板表面的法向量平行，即驱动电机的推力的初始方向垂直向上，以抵消平衡车自身的重力，达到平衡；传感器模块将采集到的陀螺仪的数据和加速度计的数据传输到控制模块中，控制模块计算出平衡车当前的姿态和速度，由此得到当前的控制量包括驱动电机的转速和舵机的转角，再将控制量传输到电机驱动模块上，电机驱动模块根据接收到的控制量，控制驱动电机和舵机，实现驱动电机带动螺旋桨产生的推力与平衡车整体的重力相平衡；

当车前倾，则控制舵机正转一定角度(假定平衡车向右倾为前倾，向左倾为后倾，则当舵机顺时针旋转为正转，逆时针旋转为反转)，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度(假定平衡车向右倾为前倾，向左倾为后倾，则当电机的轴向方向在踏板表面法向量的右边则为正角度，反之为负角度)，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向往后摆动实现前倾纠正；若当车后倾，则控制舵机反转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向向前摆动实现后倾纠正，通过不断地调整，最后车体保存直立状态；

当人在车上，踏板上的重力传感器可检测到人体的重量，重量信息传输到控制器模块中，控制器模块可计算出驱动电机转速的增加量，并传输到电机驱动模块上；当身体向前倾的时候，舵机正转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度，同时驱动电机速度加快，车便会向前运动；当人在车上，身体向后倾的时候，舵机反转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度，同时驱动电机速度加快，车便会向后运动；

当左、右摆动方向杆的时候，霍尔传感器将检测到的摆角信息发送到控制盒里面的控制模块中，控制模块通过控制算法计算出控制量并传输到舵机上，舵机改变驱动电机与踏板表面法向量的夹角，从而改变螺旋桨推力的方向，从而实现了车整体向左、右转；如当方向杆向左摆动方向杆的时候，左边舵机反转一定角度，右边舵机正转一定角度，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现左转；如当方向杆向右摆动方向杆的时候，左边舵机正转一定角度，右边舵机反转一定角度，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现右转；通过不断调整舵机输出角，改变驱动电机轴与铅垂线角度的，从而能够实现水上自平衡车的直立、前进、后退、转弯功能。

进一步的，所有部件都具有防水功能。

进一步的，所述控制盒可以控制所述平衡车在水面的附近上下浮动。

进一步的，所述传感器模块还包括温度传感器，其输出与控制模块相连，用于检测温度并将温度数据送至控制模块，以补偿三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器的温漂。

进一步的，所述滤波算法包括卡尔曼滤波算法、互补滤波算法和低通滤波算法。

进一步的，所述控制算法包括双闭环PID算法、预测控制算法和LQR控制算法。

本发明可以提供一种水上自平衡车，该平衡车可在水面保持平衡状态，并可以由人体的姿态来控制车体的前进、后退和转弯等，通过增加舵机这一环节来控制驱动电机的推力方向，实现了推力的矢量控制，进而将陆上二维的平衡车提升了一个控制维度，实现了三维平衡状态的控制，满足人们在水面上体验自平衡车的愿望，还可以作为一种水面上的交通工具。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水上自平衡车结构正视图示意图；

图2为本发明实施例提供的水上自平衡车结构侧视图示意图；

图3为本发明实施例提供的水上自平衡车电机连接结构示意图；

图4为验证本发明实施例的有效性而提供的控制盒内部结构示意图；

图5为本发明实施例水上自平衡车直立时侧视图；

图6为本发明实施例水上自平衡车倾斜状态时侧视图；

图7为验证本发明实施例水上自平衡车平衡状态时侧视图；

其中，图1为水上自平衡车的整体结构、201为方向杆、202为霍尔传感器、203为控制盒、204为锂电池、205为踏板、206为舵机、207为驱动电机、208为螺旋桨、209为传感器模块、210为控制器模块、211为电机驱动器模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在水上自平衡车行使过程中，控制盒可以检测到水上自平衡车踏板的姿态，同时通过双闭环PID控制算法实现踏板保持水平状态。因此当人站在踏板上的时候可以站立不倒，人体的倾角不同便会导致平衡车的不同运动状态。人体往前倾的时候，平衡车往前走；人体往后仰的时候，平衡车往后走；人摇动方向杆的时候，平衡车也会跟着转动。而这些的实现都是控制模块通过采集传感器模块的数据和方向杆的角度数据，同时控制舵机的转角和驱动电机的转速来实现的。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1、图2为本实施例正视和侧视示意图；图3为本实施例提供的水上自平衡车电机连接结构示意图；图4为验证本发明实施例的有效性而提供的控制盒内部结构示意图，控制盒里面包含着控制器模块、传感器模块和电机驱动器模块，传感器模块用来采集平衡车的姿态和速度信息，控制器模块用来根据传感器模块的数据计算出控制量并输出到电机驱动器模块，电机驱动器模块用来接收到控制模块输出的控制量，并相应地控制驱动电机的转速和舵机的转角。

在本发明实施例中，水上自平衡车通过对舵机和驱动电机的控制，实现自身的平衡以及存在重物时的平衡。在本实施例中用的控制算法用的是是双闭环PID算法，传感器包括加速度传感器和陀螺仪传感器，控制器器件为STM32单片机，具体工作过程如下：

工作时，平衡车启动后，舵机的初始转角为0度，如图5所示，驱动电机的轴向与平衡车踏板表面的法向量平行，以抵消平衡车自身的重力，达到平衡，其中驱动电机带动螺旋桨产生推力的大小可实际测试出来，使其与平衡车自身重力相等；传感器模块将采集到的陀螺仪的数据和加速度计的数据传输到控制模块中，控制模块里面的STM32单片机计算出平衡车当前的姿态和速度，并通过双闭环PID控制算法得到当前的控制量包括驱动电机的转速和舵机的转角，再将控制量传输到电机驱动模块上，电机驱动模块根据接收到的控制量，控制驱动电机和舵机，实现驱动电机带动螺旋桨产生的推力与平衡车整体的重力相平衡，即如图5所示，推力F的方向竖直向上，刚好抵消自身的重力G，平衡车可以保持平衡；

当车后倾，则控制舵机反转一定角度如图6所示(假定平衡车向右倾为前倾，向左倾为后倾，则当舵机顺时针旋转为正转，逆时针旋转为反转)，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度(假定平衡车向右倾为前倾，向左倾为后倾，则当电机的轴向方向在踏板表面法向量的右边则为正角度，反之为负角度)，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向往前摆动实现后倾纠正，如图7所示；若当车前倾，则控制舵机正转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向向前摆动实现前倾纠正，通过不断地调整，最后车体保存直立状态；

当人在车上，踏板上的重力传感器可检测到人体的重量，重量信息传输到控制器模块中，控制器模块可计算出驱动电机转速的增加量，并传输到电机驱动模块上；当身体向前倾的时候，舵机正转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度，同时驱动电机速度加快，车便会向前运动；当人在车上，身体向后倾的时候，舵机反转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度，同时驱动电机速度加快，车便会向后运动；

当左、右摆动方向杆的时候，霍尔传感器将检测到的摆角信息发送到控制盒里面的控制模块中，控制模块通过双闭环PID控制算法计算出控制量并传输到舵机上，舵机改变驱动电机与踏板表面法向量的夹角，从而改变螺旋桨推力的方向，从而实现了车整体向左、右转；如当方向杆向左摆动方向杆的时候，左边舵机反转一定角度，右边舵机正转一定角度(舵机的正反转的定义同上)，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现左转；如当方向杆向右摆动方向杆的时候，左边舵机正转一定角度，右边舵机反转一定角度(舵机的正反转的定义同上)，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现右转；

与陆上自平衡车不同，本发明提出的水上自平衡车，控制维度为三维，不仅需要控制平衡车的平面运动，也需要控制平衡车保持在水面。不仅通过人体来控制车的前进和后退，而且还通过增加舵机这一控制环节来提升控制的维度，舵机的转角改变螺旋桨推力的方向，实现平衡车保持在水面上的平衡状态。通过不断调整舵机输出角，改变驱动电机轴与铅垂线角度的，从而能够实现水上自平衡车的直立、前进、后退、转弯功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水上自平衡车，其特征在于，包括方向杆(201)、踏板(205)、控制盒(203)、电池(204)、舵机(206)、驱动电机(207)和螺旋桨(208)；其中：

所述方向杆(201)的一端通过轴承与踏板连接，方向杆(201)转动具有自动回零的特性；在轴承与踏板连接处装有霍尔传感器(202)，霍尔传感器(202)和控制盒相连，用于检测方向杆的摆角并输出摆角信息到控制盒(203)；方向杆(201)另一端为手持部，用于左右摆动调节方向；

所述踏板(205)是平衡车的骨架，用于承载人员和安装包括控制盒、方向杆、舵机、驱动电机、电池在内的部件，踏板(205)设有重力传感器，用于检测踏板上物体的重量；重力传感器连接控制盒里面的控制模块，用于传送重量数据；

所述电池(204)安装在踏板的底部或侧部，用于给本平衡车提供电能，该电池为可充式并设有充电接口；

所述舵机(206)包括左舵机和右舵机，对称于方向杆(201)，固定在所述踏板底面；所述驱动电机(207)包括左驱动电机和右驱动电机，左右舵机的转轴可分别实现一定角度的旋转，左右驱动电机分别固定在左右舵机的转轴上，可随舵机转轴的转动而转动，从而改变驱动电机轴向方向与踏板表面法向量的夹角；从而改变螺旋桨推力方向；

所述螺旋桨(208)包括左螺旋桨和右螺旋桨，分别固定在左、右驱动电机的转轴上；左右驱动电机及左右螺旋桨分别构成左、右两套推力系统，对称于方向杆(201)固定在所述踏板底面；驱动电机的轴向与踏板表面法向量的夹角分别随其对应的舵机的输出角而变化，所述踏板表面法向量的方向为平衡车平置在水面上时，垂直于踏板表面向上；

所述控制盒(203)包括控制模块(210)、传感器模块(209)和电机驱动模块(211)；所述控制盒(203)安装在踏板的下方，固定在踏板的表面；所述传感器模块包括三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器；所述三维加速度传感器用于检测平衡车速度，三维陀螺仪传感器用于检测平衡车的姿态，包括倾角、加速度和偏航角；所述传感器模块所采集到的数据均传输到控制模块(210)，控制模块(210)接收到三维陀螺仪传感器数据和三维加速度传感器数据，先经过滤波算法得到姿态信息，再通过控制算法计算出当前的控制量，包括驱动电机的转速转向和舵机的转角，将控制量传输到电机驱动模块上；所述电机驱动模块设在控制盒内，用于根据获得的控制量控制驱动电机(207)的转速和舵机(206)的转角，从而保持整个平衡车的运动和平衡。

2.根据权利要求1所述的一种水上自平衡车，其特征在于：

工作时，平衡车启动后，舵机的初始转角为0度，驱动电机的轴向与平衡车踏板表面的法向量平行，即驱动电机的推力的初始方向垂直向上，以抵消平衡车自身的重力，达到平衡；传感器模块将采集到的三维陀螺仪传感器的数据和三维加速度传感器的数据传输到控制模块中，控制模块计算出平衡车当前的姿态和速度，并通过控制算法得到当前的控制量包括驱动电机的转速和舵机的转角，再将控制量传输到电机驱动模块上，电机驱动模块根据接收到的控制量，控制驱动电机和舵机，实现驱动电机带动螺旋桨产生的推力与平衡车整体的重力相平衡；

假定平衡车向右倾为前倾，向左倾为后倾，则当舵机顺时针旋转为正转，逆时针旋转为反转，当驱动电机的轴向方向在踏板表面法向量的右边则为正角度，反之为负角度，当车前倾，则控制舵机正转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向往后摆动实现前倾纠正；若当车后倾，则控制舵机反转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度，同时驱动电机速度加快，这样车体就会反向向前摆动实现后倾纠正，通过不断地调整，最后车体保持直立状态；

当人在车上，踏板上的重力传感器可检测到人体的重量，重量信息传输到控制模块中，控制模块可计算出驱动电机转速的增加量，并传输到电机驱动模块上；当身体向前倾的时候，舵机正转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成正角度，同时驱动电机速度加快，车便会向前运动；当人在车上，身体向后倾的时候，舵机反转一定角度，即驱动电机的轴向方向与踏板表面法向量夹角变成负角度，同时驱动电机速度加快，车便会向后运动；

当左、右摆动方向杆的时候，霍尔传感器将检测到的摆角信息发送到控制盒里面的控制模块中，控制模块通过控制算法计算出控制量并传输到舵机上，舵机改变驱动电机轴向方向与踏板表面法向量的夹角，从而改变螺旋桨推力的方向，从而实现了车整体向左、右转；如当方向杆向左摆动的时候，左边舵机反转一定角度，右边舵机正转一定角度，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现左转；如当方向杆向右摆动的时候，左边舵机正转一定角度，右边舵机反转一定角度，同时驱动电机速度加快，这样便可以实现右转；通过不断调整舵机输出角，改变驱动电机轴与铅垂线角度，从而能够实现水上自平衡车的直立、前进、后退、转弯功能。

3.如权利要求1或2所述的水上自平衡车，其特征在于，所述所有部件都具有防水功能。

4.如权利要求1或2所述的水上自平衡车，其特征在于，所述控制盒可以控制所述平衡车在水面的附近上下浮动。

5.如权利要求1或2所述的水上自平衡车，其特征在于，所述传感器模块还包括温度传感器，其与控制模块(210)相连，用于检测温度并将温度数据传送至控制模块(210)，以补偿三维加速度传感器和三维陀螺仪传感器的温漂。

6.如权利要求1或2所述的水上自平衡车，其特征在于，所述滤波算法包括卡尔曼滤波算法、互补滤波算法和低通滤波算法。

7.如权利要求1或2所述的水上自平衡车，其特征在于，所述控制算法包括双闭环PID算法、预测控制算法和LQR控制算法。