CN107284578B - 一种基于四轮驱动的智能电动平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，通过在车体上设置控制装置，通过控制装置控制连接有脚踏感应装置、转向输出装置和驱动四轮运动的驱动电机，通过脚踏感应装置实现车体的启停，通过转向输出装置实现驱动电机驱动四轮的转向。本发明避免了现有的平衡车的启动通过红外反射式感应开关实现，而造成的意外事故的发生。

Description

一种基于四轮驱动的智能电动平衡车

技术领域

本发明属于智能平衡车技术领域，涉及一种基于四轮驱动的智能电动平衡车。

背景技术

平衡车是一种近几年来非常时尚的代步工具。电动平衡车，又叫做体感车、思维车、摄位车等。平衡车是利用动态平衡原理控制前进、后退及转向的高科技智能产品。其原理是建立在一种被称为“动态平衡”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。目前市面上出现的平衡车的触发开关多为光电耦合开关或红外反射式感应开关来提供一个开关量。但是光电耦合开关经常会出现滞后或不能回弹的现象，导致平衡车抖动或者不受控制的运动，进而带来安全隐患。红外反射式感应开关只要检测到有红外反射信号，就会触发平衡车启动，常常由于红外发射感应开关所感应的距离不能理想的确定下来，当设置的距离比较大时，用户还没来得及站在平衡车上，平衡车就已经启动开始乱窜。当一些动物不小心处在平衡车时也会误以为人站在车上，而引起误启动。并且现在的平衡车没有一个延时控制，当用户踏上平衡车时，有时用户还没来得及准备好，电机就开始驱动主动轮转动，导致用户意外摔倒受伤。之前文献有涉及在平衡车上设置手把，并在手把上设置显示屏，显示屏可以为按钮式或触摸屏，虽然触摸显示屏响应快速，外观美观，但是遇到下雨天，当水接触到触摸屏时，触摸屏会失控，进而给用户带来极大的安全隐患。现在的按钮式显示屏没有考虑到防水措施，在雨天时，雨水会浸入到显示仪的控制板，导致显示屏短路。并且平衡车多为单轮和双轮，使用这种代步车时平衡性不容易掌握，大大限制了平衡车的适用目标人群。并且大多数的平衡车都仅仅被用来作为代步工具，功能单一，这样就减少了对平衡车的利用率。另外平衡车在使用的过程中可能产生的一系列问题，例如发热和散热、线路过载、适用人群、车体体积、使用功能等方面虽然在之前的文献中有所涉及，但都没有综合考虑。

发明内容

本发明提供的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，解决了现有电动平衡车功能单一的问题，并且提高了平衡车的安全性能和利用率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

本发明提供的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，包括车体本体，车体本体的一端设置有把手，车体本体上设有空腔结构，空腔结构的上端设置有脚踏板，其中，空腔结构内设置有控制装置、脚踏感应装置、转向输出装置、驱动四轮运动的驱动电机和向控制装置提供电源的电池组件，控制装置分别与脚踏感应装置、转向输出装置和驱动四轮运动的驱动电机电连接。

优选地，所述控制装置包括主控制器、第一控制器和信号发射与接收装置，其中，主控制器与第一控制器和信号发射与接收装置电连接。

优选地，脚踏感应装置包括固定安装在脚踏板下端面的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和用于检测角度的霍尔传感器，其中，加速度传感器和陀螺仪均与第一控制器电连接，压力传感器和霍尔传感器与主控制器电连接。

优选地，转向输出装置包括手把转向控制机构，其中，手把转向控制机构包括支撑杆、伸缩杆、滑动变阻器、拨杆和拨叉，支撑杆的一端套装在伸缩杆上，且两者之间为滑动连接；支撑杆的另一端与拨叉固定连接；拨杆设置在拨叉的凹槽一端，拨杆的两端均设置有滑动变阻器，滑动变阻器与驱动电机和主控制器电连接。

优选地，控制装置还包括人机交互控制器，人机交互控制器控制连接有人机交互装置，人机交互装置包括安装在把手上的人机交互显示屏、多种档位控制的控制按键、急停按键和身份认证装置。

优选地，脚踏板为折叠式结构，包括固定板、伸缩凹版、伸缩凸版和坐板，其中，固定板固定在车体本体上，其一侧面与伸缩凹版之间通过第一合页连接，伸缩凹版的另侧面与伸缩凸版之间为滑动连接，伸缩凸版与坐板之间通过第二合页连接；同时，固定板与伸缩凹版之间、伸缩凸版与坐板之间均设置有限位件。

优选地，伸缩凹版与伸缩凸版上分别开设有若干个销钉孔，所述销钉孔内设置有长销钉，所述长销钉通过弹性线绳与设置在伸缩凸版上第一销轴固定连接。

优选地，控制装置控制连接有安全保护装置，安全保护装置包括温控单元和电路保护单元，所述温控单元包括分别设置在控制装置、电池组件和驱动电机上的温度传感器，温度传感器用以实时监测控制装置、电池组件和驱动电机上的温度；同时，电池组件上设置有导热压板，主控制器上设置有散热风扇；

电路保护单元为一自复保险组件，包括固定座和固定在固定座上的自复保险丝，自复保险丝设置在控制装置与电池组件之间的电源线上。

优选地，车体本体的下端设置有四个主动轮，四个主动轮与驱动电机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，通过在车体上设置控制装置，通过控制装置控制连接有脚踏感应装置、转向输出装置和驱动四轮运动的驱动电机，通过脚踏感应装置实现车体的启停，通过转向输出装置实现驱动电机驱动四轮的转向。本发明避免了现有的平衡车的启动通过红外反射式感应开关实现，而造成的意外事故的发生。

进一步的，本发明通过机械式结构实现车体的转向，达到了精确转向的目的。

进一步的，本发明通过身份认证装置实现车体的安全性，同时通过控制按键实现多种档位的选择。

进一步的，脚踏板的折叠式结构，可以适应不同的身高要求，同时，还可以满足驾驶员的座椅或站立要求。

进一步的，当温度达到设定阈值时，控制装置会自动将车体速度调至到最低速档位，并通过散热风扇来降低驱动电机和电池组件的温度。

附图说明

图1是平衡车结构一种状态示意图；

图2是平衡车结构另一种状态示意图；

图3是转向控制机构示意图；

图4是脚踏板结构示意图；

其中，1、控制按键 2、人机交互显示屏 3、前置灯 4、摄像头 5、支撑杆 6、伸缩杆7、护板 8、车体本体 9、主动轮 10、固定板 11、伸缩凹版 12、伸缩凸版 13、坐板 14、限位件 15、第一合页 16、第二合页 17、长销钉 18、第一销轴 19、滑动变阻器 20、拨叉 21、拨杆 22、第二销轴 23、第三销轴 24、第四销轴 25、第五销轴 26、第六销轴 27、第七销轴28、急停按键 29、指南针。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，包括车体本体8，车体本体8的下端面设置有四个主动轮9，同时，车体本体8上设有空腔结构，空腔结构的上端盖装有脚踏板。

车体本体8的一端设有护板7和手把，手把与护板7设置在同一侧。

空腔结构内设置有控制装置、脚踏感应装置、转向输出装置、安全保护装置、驱动四轮运动的驱动电机和电池组件，其中，控制装置分别与脚踏感应装置、转向输出装置、安全保护装置、驱动电机和电池组电连接。

具体地，所述控制装置包括主控制器、人机交互控制器、第一控制器和信号发射与接收装置，其中，主控制器与人机交互控制器、第一控制器和信号发射与接收装置电连接，同时主控制器、人机交互控制器和第一控制器分别实现相应的电路功能，即采用了分离电路模块的方法。

具体地，主控制器、人机交互控制器和第一控制器之间通过CAN/LIN总线进行通信。

进一步的，控制装置对驱动电机的启动有一个延时控制，目的是让用户有一个预备适应的时间，防止平衡车突然发生前冲的现象，以此来保护用户的安全。

具体地，脚踏感应装置包括固定安装在脚踏板下端面的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和用于检测角度的霍尔传感器，其中，加速度传感器和陀螺仪均与第一控制器电连接，压力传感器和霍尔传感器与主控制器电连接。

当压力传感器接收到一定的压力时，将该压力信号传递到主控制器，主控制器控制第一控制器发送车辆运动信号，同时，霍尔传感器检测到驾驶人的身体重心靠前或靠后，以此判断车辆前进或后退，通过陀螺仪对持续前进或后退的车辆进行车体平衡。

如图3所示，转向输出装置包括手把转向控制机构，其中，手把转向控制机构包括支撑杆5、伸缩杆6、滑动变阻器19、拨杆21和拨叉20，伸缩杆6的一端套装在上支撑杆5，且两者之间为滑动连接；伸缩杆6的另一端与拨叉20固定连接；拨杆21设置在拨叉20的凹槽一端，且其两端均设置有滑动变阻器19，滑动变阻器19和驱动电机均与主控制器电连接。

当手把向左转动时，伸缩杆6带动拨叉20转动，使得控制左边轮子的驱动电机的滑动变阻器19电阻增大，同时，控制右边轮子的驱动电机的滑动变阻器19电阻减小，这样右边电机的转速大于左边电机的转速，利用速度差从而控制平衡车左转，类似的，可以实现平衡车右转。此转向控制主要用于对平衡车转向进行精确控制。并且滑动变阻器19可以设置最大和最小电阻值，当转向输出时，两个驱动电机有最大和最小差速度，以此，可以限制平衡车的急转弯，防止车体出现较陡的转弯。

当在车辆持续前进或者后退的状态中，驾驶人可以将自己的身体重心往左、右倾斜，利用自身重量所产生与车身纵轴垂直的分量，作为转弯时的向心力而达到转向的目的，具体地，通过霍尔传感器作为角度的检测，进而通过主控制器控制器车体进行转向。

安全保护装置包括温控单元和电路保护单元，所述温控单元包括分别设置在控制装置、电池组件和驱动电机上的温度传感器，温度传感器用以实时监测控制装置、电池组件和驱动电机上的温度；同时，电池组件上设置有导热压板，主控制器上设置有散热风扇，当温度达到设定阈值时，控制装置会自动将车体速度调至到最低速档位，并通过散热风扇双重措施来降低驱动电机和电池组件的温度，所述散热风扇可以嵌设于所述车体空腔的底端或两侧。

电路保护单元为一自复保险组件，包括固定座和固定在固定座上的自复保险丝，自复保险丝设置在控制装置与电池组件之间的电源线上。

当平衡车处于极端情况，电池组件输出的电流超出电路保护装置的额定值时，或者整个电路系统发生短路及欠压时，电路保护装置则切断电池组件与控制装置之间的电连接，驱动电机则因失去电力供应而停止运行，从而保护驱动电机、控制装置以及电池组件；自复保险丝只有在切断电源或过电流消失后，会自动恢复低阻状态，保持电路畅通，无需重复进行更换。

控制装置与设置在支撑杆5上端的人机交互控制装置连接，人机交互控制装置的上端面设置有人机交互显示屏2、控制按键1、急停按键28和指南针29，前端设置有摄像头4和前置灯3，人机交互显示屏2、控制按键1、急停按键28、指南针29、摄像头4和前置灯3均与控制装置中的人机交互控制器电连接。

优选地，所述平衡车前端设置有图像采集装置，图像采集装置包括摄像头和存储芯片。一方面可以对图像进行采集，另一方面通过信号发射与接收装置实时传送到预设的接收装置并进行存储。

优选地，控制设备的终端可以为手柄、电脑等具有控制功能的装置，那么平衡车可以通过WiFi、蓝牙等无线通信方式与终端建立通信连接。

优选地，所述的控制装置可以将所述剩余电量发送给人机交互式显示装置，当所述剩余电量低于设定阈值时，发出报警。平衡车也可以基于剩余电量计算剩余续航里程，并发送给控制设备，以使得控制设备显示该剩余续航里程，提供给用户做参考，以便用户判断剩余电量是否能够满足用户需求。

其中，前置灯3用来对夜间行驶进行照明；在控制按键1附近安装有喇叭，用于必要情况时提醒路人。

在人机交互显示屏2上铺有一层防水薄膜，主要用于防水。

在本发明中，当使用者在使用平衡车时，首先通过微型摄像头4对其身份进行识别或着在人机交互显示屏2上对指纹进行识别；

优选地，为了对平衡车的使用权限进行一定的控制，可以在显示屏上设置一个感应区，利用射频技术来限制平衡车的使用，每个平衡车配置有相应的车卡，用户只需要在感应区进行刷卡或扫码就可以使用该平衡车。通过射频技术，一方面防止平衡车被他人乱用，另一方面，用户只需要转让车卡可选择性地将平衡车的使用权交给他人。

在验证身份后，使用者双脚踏上平衡车，脚踏感应装置中的压力传感器工作触动开关，把信号传给控制装置，控制装置会根据设定的压力阈值和启动时间在人机交互显示屏2上提示用户，同时显示用户的体重，然后在设定的启动时间到点后平衡车启动工作；

当需要调节车速时，可以根据控制键1进行调节预先设置好的调节速度，总共有三个不同速度档位，根据路况和自己的需要来选择不同的档位。遇到特殊情况时，可以使用急停按钮来进行紧急制动，来保证使用者的安全。

在人机交互显示屏2上还安装有导航系统，用户可明确自己所处的位置，也可以通过设置目的地，来选择最佳的路线；如果有意外发生，导航系统会发送位置信号至使用者的手机，或者其它接收系统，方便他人快速定位使用者的位置；

同时平衡车也安装有指南针，帮助使用者的确定行驶路线。这基本就是多功能平衡车系统的基本工作过程。

如图4所示，所述的脚踏板由折叠装置组成，折叠装置包括固定板10、伸缩凹版11、伸缩凸版12和坐板13，其中，固定板10与伸缩凹版11之间通过第一合页15连接，伸缩凹版11与伸缩凸版12之间滑动连接，伸缩凸版12与坐板13之间通过第二合页16连接；同时，固定板10与伸缩凹版11之间、伸缩凸版12与坐板13之间均设置有限位件14。

伸缩凹版11与伸缩凸版12上分别开设有若干个销钉孔，所述销钉孔内设置有长销钉17，所述长销钉17通过弹性线绳与设置在伸缩凸版12上第一销轴18固定连接。

如果使用者需要坐着行驶，那么就可以调节脚踏板，当脚踏板打开后，由伸缩凸版12和伸缩凹版11来进行支承，伸缩凹板11和伸缩凸板12分别设置有销钉孔，它们之间的连接通过长销钉17来进行连接。长销钉17通过具有弹性的线绳与第一销轴18连接，主要用于调整座椅的高度以适应不同的人群。

固定板10和伸缩凹版11之间、坐板13和伸缩凸版12之间的定位通过限位件14进行定位。

当折叠板处于工作状态时，固定板10和伸缩凹板11之间的定位通过限位件14与第二销轴22和第三销轴23相配合进行限位；坐板13和伸缩凸板12之间的定位通过限位件14与第五销轴25和第七销轴27相配合进行限位，在坐板13的下面可以放一些随身携带的物品。

伸缩凹板11与伸缩凸版12上的销钉孔内放置长销钉17，长销钉17通过弹性线绳与设置在伸缩凸版12上第一销轴18固定连接，用来调节座椅的高度。

当折叠版处于非工作状态时，固定板10和伸缩凹板11之间的定位通过限位件14与第二销轴22和第四销轴24配合连接实现；坐板13和伸缩凸板12之间的定位通过限位件14与第五销轴25和第六销轴26配合连接实现；此做法是为了防止折叠版处于非工作状态时限位件晃动。

本设计的平衡车设置有遥控控制装置。当用户不把平衡车作为代步工具时，可以通过遥控器对信号发射与接收装置进行通信，进而对平衡车进行远程控制，控制平衡车的前进、后退、转向、以及摄像机的开关等操作。这时，平衡车可以作为载物车，实现物品短距离输送，并且平衡车的尾部可以设置有挂钩，以拖拉其它具有运输功能的箱体，此时平衡车可作为牵引车使用。在一些危险的场合，或者场地狭小，例如山体矿洞这种危险的场所，需要进洞收取信息，就可以使用这种带有摄像功能的平衡车对山洞里的信息进行了解。所以此平衡车也可以作为工业用车。这样就大大提高了平衡车的适用范围，从而提高里平衡车的利用率。

为了提高平衡车的稳定性，在脚踏板和腔体外壳之间有一层橡胶垫或者弹簧垫，来减少路面带来的不舒适感。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：包括车体本体(8)，车体本体(8)的一端设置有把手，车体本体(8)上设有空腔结构，空腔结构的上端设置有脚踏板，其中，空腔结构内设置有控制装置、脚踏感应装置、转向输出装置、驱动四轮运动的驱动电机和向控制装置提供电源的电池组件，控制装置分别与脚踏感应装置、转向输出装置和驱动四轮运动的驱动电机电连接；

控制装置还包括人机交互控制器，人机交互控制器控制连接有人机交互装置，人机交互装置包括安装在把手上的人机交互显示屏(2)、控制按键(1)、急停按键(28)和身份认证装置；

脚踏感应装置包括固定安装在脚踏板下端面的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和用于检测角度的霍尔传感器，其中，加速度传感器、陀螺仪、压力传感器和霍尔传感器均与控制装置电连接；

压力传感器用于采集脚踏板上的驾驶人体重量，并将采集得到的信息传输至控制装置；控制装置根据接收到的压力信号向驱动电机传输车辆运动信号；

霍尔传感器用于检测到驾驶人的身体重心位置，以此判断车辆前进或后退；

陀螺仪用于对持续前进或后退的车辆进行车体平衡；

加速度传感器用于采集平衡车的加速度；

所述控制装置和驱动电机之间设置有用于对驱动电机启动的延时控制；

转向输出装置包括手把转向控制机构，其中，手把转向控制机构包括支撑杆(5)、伸缩杆(6)、滑动变阻器(19)、拨杆(21)和拨叉(20)，伸缩杆(6)的一端套装在支撑杆(5)上，且两者之间为滑动连接；伸缩杆(6)的另一端与拨叉(20)固定连接；拨杆(21)设置在拨叉(20)的凹槽一端，拨杆(21)的两端均设置有滑动变阻器(19)，滑动变阻器(19)与驱动电机和主控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：所述控制装置包括主控制器、第一控制器和信号发射与接收装置，其中，主控制器与第一控制器和信号发射与接收装置电连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：脚踏板包括固定板(10)、伸缩凹版(11)、伸缩凸版(12)和坐板(13)，其中，固定板(10)固定在车体本体(8)上，其一侧面与伸缩凹版(11)之间通过第一合页(15)连接，伸缩凹版(11)的另侧面与伸缩凸版(12)之间为滑动连接，伸缩凸版(12)与坐板(13)之间通过第二合页(16)连接；同时，固定板(10)与伸缩凹版(11)之间、伸缩凸版(12)与坐板(13)之间均设置有限位件(14)。

4.根据权利要求3所述的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：伸缩凹版(11)与伸缩凸版(12)上分别开设有若干个销钉孔，所述销钉孔内设置有长销钉(17)，所述长销钉(17)通过弹性线绳与设置在伸缩凸版(12)上第一销轴(18)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：控制装置控制连接有安全保护装置，安全保护装置包括温控单元和电路保护单元，所述温控单元包括分别设置在控制装置、电池组件和驱动电机上的温度传感器，温度传感器用以实时监测控制装置、电池组件和驱动电机上的温度；同时，电池组件上设置有导热压板，主控制器上设置有散热风扇；电路保护单元为一自复保险组件，包括固定座和固定在固定座上的自复保险丝，自复保险丝设置在控制装置与电池组件之间的电源线上。

6.根据权利要求1所述的一种基于四轮驱动的智能电动平衡车，其特征在于：车体本体(8)的下端设置有四个主动轮(9)，四个主动轮(9)与驱动电机连接。

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