CN108327840B - 自行车的自主平衡系统、自行车和自行车智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供自行车的自主平衡系统、自行车和自行车智能控制方法，用以提高自行车的车身自主平衡能力，降低自行车对骑行者骑行能力的要求。其中，所述自主平衡系统包括自主转向装置和/或平衡轮。所述自主转向装置包括与自行车的把手相连的转向电机。所述平衡轮包括平衡电机和与平衡电机相连的转动部。

Description

自行车的自主平衡系统、自行车和自行车智能控制方法

技术领域

本申请涉及自行车的自主平衡系统、自行车和自行车智能控制方法。这里所说的自行车可包括脚踏车和电动自行车等。

背景技术

目前自行车对骑行者的骑行能力要求较高。因而，有必要对其进行改善。

发明内容

根据本发明实施例的第一方面，提供一种自行车的自主平衡系统。所述自主平衡系统包括自主转向装置和/或平衡轮，其中，所述自主转向装置包括与自行车的把手相连的转向电机，所述平衡轮包括平衡电机和与平衡电机相连的转动部。

可选的，所述转向电机包括两个直线电机，所述两个直线电机分别位于把手的左右两侧。

可选的，所述转动部包括与平衡电机相连的多个杆部，所述多个杆部沿平衡电机的转动方向排列。

可选的，所述杆部包括第一端与第二端，所述第一端与所述平衡电机相连，所述第二端与一弧形部相连。

可选的，所述平衡轮还包括壳体，所述壳体包括顶壁与侧壁，所述杆部与所述弧形部设置在所述壳体内。

可选的，所述多个杆部沿转动方向均匀排列。

可选的，所述杆部在第一平面内转动，所述自行车的后轮在第二平面内转动，所述第一平面与所述第二平面垂直；

所述平衡轮设置在后轮的上方。

可选的，所述自主平衡系统还包括姿态传感器。

可选的，所述姿态传感器包括下面中的任一个或任几个的组合：(1)航向检测陀螺仪；(2)倾斜检测陀螺仪；(3)超声波传感器或激光传感器；和(4)震动检测传感器。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种自行车。所述自行车包括如前所述的自主平衡系统。

可选的，所述自行车还包括图像采集单元，用于采集周边的图像信息，所述图像采集单元包括视觉传感器。

可选的，所述视角传感器的数目为多个，分别用于获取前方、后方、左侧和右侧的物体图像和距离。

可选的，所述自行车还包括图像分析单元、导航系统和控制器，所述图像分析单元连接在控制器与图像采集单元之间，所述导航系统、所述转向电机和所述平衡电机均与所述控制器相连。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种如前所述的自行车的智能控制方法。所述智能控制方法包括：

控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制。

可选的，控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制，包括：

在行车的第一阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第一转速转动；

在行车的第二阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第二转速转动，其中，自行车在第一阶段的平均行驶速度小于在第二阶段的平均行驶速度，所述第二转速小于所述第一转速。

可选的，所述第一阶段为行车的初始阶段，所述第二阶段为正常行车阶段。

可选的，根据车身的倾斜角度，所述控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制；

当车身的倾斜角度不超过倾斜阈值时，所述控制器控制所述平衡电机转动以平衡车身；当车身的倾斜角度超过所述倾斜阈值时，所述控制器控制所述转向电机转动以平衡车身。

可选的，所述倾斜阈值不小于2度并且不大于5度。

附图说明

图1至图4是本发明一示例性实施例自行车的示意图；

其中，图1是自行车整体结构的立体示意图；图2与图3是图1所示自行车在不同视角下的局部放大图，以清楚显示自行车的局部结构；图4是图1所示自行车的各功能模块连接关系的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1至图4是本发明一示例性实施例自行车的示意图。其中，图1是自行车整体结构的立体示意图。图2与图3是图1所示自行车在不同视角下的局部放大图，以清楚显示自行车的局部结构。图4是图1所示自行车的各功能模块连接关系的示意图。

这里所说的“自行车”可以是具有两个车轮、由骑行者提供车辆行驶动力的脚踏车，也可以是具有两个车轮、由电机等非人力装置来提供车辆行驶动力的电动自行车。还可以是单轮自行车等依靠其固有的车轮难以稳定平衡车身的其它类型的车辆。

如图1至图4，自行车100可包括车架20、车轮和控制器98等。其中，车轮可包括前轮23和后轮25。车轮和其它部件等大都直接或间接安装固定在车架20上。控制器98可对自行车的整体运行进行控制。

为提高自行车的车身自主(自动)平衡能力，降低自行车对骑行者骑行能力的要求，自行车100设置有自主平衡系统。所述自主平衡系统可包括自主转向装置60与平衡轮40。其中，自主转向装置60可邻近前轮23设置，平衡轮40可邻近后轮25设置。

自主转向装置60可包括与把手65相连的转向电机61、63。在转向电机61、63的驱动下，把手65可自动换向。这有利于提高车身的自主平衡能力。

转向电机61、63的数目可以是两个，并可分别位于把手65的左右两侧，分别用于驱动车身向左转向和向右转向。转向电机61、63可以是各种类型的电机，比如，直线电机。直线电机定位精度高，可精确控制把手的转向幅度，有利于进一步改善车身自主平衡能力。

把手65中部向下延伸形成一轴部67。轴部67以可转动的方式安装在车架20上。在每一转向电机61、63和把手65之间可设置一连杆62、64。转向电机61可带动连杆62作往复运动，进而驱动把手65绕轴部67作顺时针、逆时针方向的转动，实现自行车向左、向右转向。比如，转向电机61带动连杆62向前运动时，自行车向左转向；转向电机61带动连杆62向后运动时，自行车向右转向。

转向电机63可带动连杆64作往复运动，进而驱动把手65绕轴部67作顺时针、逆时针方向的转动，实现自行车向左、向右转向。比如，转向电机63带动连杆64向前运动时，自行车向右转向；转向电机63带动连杆64向后运动时，自行车向左转向。

为实现自行车向左转向，可控制转向电机61带动连杆62向前运动，并可同时控制转向电机63带动连杆64向后运动；为实现自行车向右转向，可控制转向电机61带动连杆62向后运动，并可同时控制转向电机63带动连杆64向前运动。

容易理解，仅设置一个转向电机，比如，转向电机61或63，也可实现自行车向左和向右换向。

平衡轮40可包括平衡电机41和与平衡电机41相连的转动部42。平衡电机41可以是任意类型的电机。在车身发生倾斜、重心产生偏移时，可控制平衡电机41带动转动部42转动。转动部42的转动可对自行车的重心位置进行调整、促使其重回平衡位置，进而可改善自行车的自主平衡能力。

在骑行状态，骑行者和自行车的重心位置较为靠近后轮25。将平衡轮40设置在靠近后轮25处有利于对重心位置的调整。比如，可将平衡轮40设置在后轮25的上方、车座28的下方。

转动部42可以平衡电机41的转动轴线为中心设置。转动部42的重心可落在平衡电机41的转动轴线上，平衡电机41的转动轴线可设置在后轮25所在的平面内。上述设置有利于进一步改善平衡轮40的自主平衡作用。

在骑行的初始阶段，自行车的行进速度极低(为零或接近于零)，如果骑行者的骑行能力极低，仅凭借自主转向装置60难以或者需要极复杂的运作自主转向装置60才能很好地自主维持车身的平衡。此时，启动平衡轮40，使转动部42高速运转，可很好地平衡自行车重心，使其趋于稳定状态。比如，在自行车整体向左倾斜时，转动部42的转动，将提供阻碍自行车左倾的平衡力；在自行车整体向右倾斜时，转动部42的转动，将提供阻碍自行车右倾的平衡力。

为进一步提升平衡轮40维持车身平衡的能力，可适当增加转动部42的质量以及转动部42重心到转轴的距离。例如，可在转动部42的末端(距转轴较远的一端)设置具有较大质量的部件，比如，弧形部424。

另外，平衡电机41的转速也可影响平衡轮40平衡车身的能力。通常而言，转速越大，平衡车身的能力越强。在自行车刚启动或行进速度极慢时等车身容易左右失衡的情形，控制器可控制平衡电机41高速转动；在自行车正常行进过程中，控制器可控制平衡电机41低速转动。

通常情形下，在车身倾斜的幅度较大时，比如，超过一阈值时，利用自主转向装置60进行车身平衡更有效；在车身倾斜的幅度较小时，比如，未超过上述阈值时，可主要利用平衡轮40来进行车身平衡。利用平衡轮40作平衡调节，可避免为维持平衡所导致的过于频繁的转向。左右转向过于频繁，将使车辆蛇形行驶，容易危及自身和周边人员的安全。通过自主转向装置60和平衡轮40的协调配合，可极优地实现自主平衡功能。

举例而言，控制器98可通过传感器(比如，后文将提到的姿态传感器92)来实时获取车身的倾斜角度α。车身的倾斜角度α可以是车身所在平面与竖直平面的夹角。倾斜角度α的值越大，车身倾斜的幅度越大。

当车身发生倾斜(倾斜角度α大于0度)、但倾斜角度α又不超过倾斜阈值γ时，控制器98可驱动平衡轮40转动来平衡车身。此时，自主转向装置60不为车身平衡目的而进行换向操作。

当车身的倾斜角度α超过倾斜阈值γ时，控制器98可驱动自主转向装置60换向来平衡车身。此时，平衡轮40既可保持静止，也可在控制器98的控制下转动以辅助自主转向装置60平衡车身。

倾斜阈值γ的值可在自行车出厂前由厂家预先设置、存储，并设定为用户不可自主变更模式。当然，为满足用户的多样性需求，也可在自行车的用户交互界面上提供窗口，供用户对倾斜阈值γ进行符合自身需求的调整。通常而言，平衡轮40的车身平衡能力越强，可将倾斜阈值γ的值设定得越大；平衡轮40的车身平衡能力越弱，可将倾斜阈值γ的值设定得越小。一般而言，可将倾斜阈值γ的值设定在2度(含)到5度(含)之间，比如3度左右。

容易理解，自主平衡系统可仅包括自主转向装置60和平衡轮40中的一个。与常规的自行车相比，具有该自主平衡系统的自行车在车身平衡方面仍有改善。

转动部42可包括与平衡电机41相连的多个杆部422，所述多个杆部422可沿平衡电机41的转动方向均匀排列。每一杆部422可包括彼此远离的第一端与第二端，其中，所述第一端与平衡电机41相连，所述第二端与一个弧形部424相连。

平衡轮40还可包括壳体43。壳体43可包括顶壁432与侧壁434，杆部422与弧形部424均设置在壳体43内。由于杆部422与弧形部424等转动体被壳体43覆盖、隔离，可有效避免外物(比如，人手、衣物等)意外触碰到这些转动体，有利于消除安全隐患。

杆部422在第一平面(水平面)内转动，自行车的后轮25在第二平面(竖直面)内转动，所述第一平面可与所述第二平面垂直。如此设置的杆部422，可更好地消除、平衡自行车的倾斜现象，维持自行车的平衡。

自主平衡系统还可包括姿态传感器92，用于获取车身实时的姿态信息。根据所述姿态信息，控制器可利用平衡算法对平衡轮40和自主转向装置60进行控制、调整，以维持自行车的平衡。所述姿态传感器可包括：(1)航向检测陀螺仪；和/或(2)倾斜检测陀螺仪；和/或(3)超声波传感器或激光传感器；和/或(4)震动检测传感器。

其中，航向检测陀螺仪可以检测自行车100的位置和方向等信息。基于上述信息以及骑行者所设定的目的地、选定的路线等导航信息，控制器可控制自主转向装置60转向，以按预定的路线到达目的地。导航信息由自行车的导航系统95提供。

倾斜检测陀螺仪可以检测车身的倾斜方向以及倾斜角速度等信息。根据上述信息，利用数值积分器可计算出车身的实际倾斜角度。在获得倾斜方向和倾斜角度等信息后，控制器可控制平衡轮40和/或自主转向装置60运转，以维持车身平衡。

超声波传感器或激光传感器可以探测障碍物信息。根据障碍物信息，控制器可控制自行车及时、准确规避障碍物。震动检测传感器可以探测路面情况，用以提醒骑行者降低或升高骑行速度。

除所述自主平衡系统外，自行车100还可包括图像采集单元94、图像分析单元96和导航系统95等。其中，图像分析单元96、导航系统95均与控制器98相连。图像采集单元94可包括视觉传感器。所述视觉传感器用于采集周边物体(包括行人、障碍物、路面状况等)的图像。可将周边物体的图像通过显示装置70呈现给骑行者，帮助骑行者对自行车进行更好地控制。显示装置70还可具备人机交互功能以及声音外放功能，以向骑行者及时反馈骑行过程中的导航信息、危险提示信息等。

所述视角传感器的数目可以是多个，比如，可包括分别用于获取前方、后方、左侧和右侧的物体图像、距离的第一视觉传感器32、第二视觉传感器34、第三视觉传感器36和第四视觉传感器38。通过第一视觉传感器32、第二视觉传感器34、第三视觉传感器36和第四视觉传感器38可获得全景的图像信息。

图像分析单元96可对图像采集单元94获取的图像信息进行分析，并将分析结果传输至控制器98。根据所述分析结果，控制器98可控制自行车对周边的行人、车辆等进行避让。

图像采集单元94、图像分析单元96和导航系统95等的设置，可实现自行车的自主驾驶。在骑行过程中，骑行者只需脚踩踏板26提供动力，自行车可为骑行者自主选择骑行路线、自主保持车身平衡，使骑行者可在保证安全的前提下充分享受辅助驾驶的轻松感。

本发明还提供一种自行车的智能控制方法，包括：

根据车身的姿态信息，控制器对转向电机和平衡电机进行控制，使得车身可自主保持平衡或者改善车身的自主平衡能力。

其中，所述自行车可以是如图1至图4所示的自行车100。

进一步地，控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制，包括：

在行车的第一阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第一转速转动；

在行车的第二阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第二转速转动，其中，自行车在第一阶段的平均行驶速度小于在第二阶段的平均行驶速度，所述第二转速小于所述第一转速。

其中，所述第一阶段可以是行车的初始阶段，所述第二阶段为正常行车阶段。

进一步地，根据车身的倾斜角度α，所述控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制；当车身的倾斜角度α不超过倾斜阈值γ时，所述控制器控制所述平衡电机转动并进而驱动平衡轮转动来平衡车身；当车身的倾斜角度α超过倾斜阈值γ时，所述控制器控制所述转向电机转动并进而驱动自主转向装置换向来平衡车身。

其中，所述倾斜阈值γ可设定在2度(含)到5度(含)之间。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种自行车，其特征在于，所述自行车包括自主平衡系统，所述自主平衡系统包括自主转向装置和/或平衡轮，

其中，所述自主转向装置包括与自行车的把手相连的转向电机，所述转向电机包括两个直线电机，所述两个直线电机分别位于把手的左右两侧；

所述平衡轮包括平衡电机和与平衡电机相连的转动部，所述转动部在第一平面内转动，所述自行车的后轮在第二平面内转动，所述第一平面与所述第二平面垂直，所述平衡电机的转动轴线设置于后轮所在的平面内，并且所述平衡轮设置在后轮的上方；

所述自行车还包括图像采集单元，用于采集周边的图像信息，所述图像采集单元包括视觉传感器，所述视觉传感器的数目为多个，分别用于获取前方、后方、左侧和右侧的物体图像和距离；所述自行车还包括图像分析单元、导航系统和控制器，所述图像分析单元连接在控制器与图像采集单元之间，所述导航系统、所述转向电机和所述平衡电机均与所述控制器相连。

2.如权利要求1所述的自行车，其特征在于，所述转动部包括与平衡电机相连的多个杆部，所述多个杆部沿平衡电机的转动方向排列。

3.如权利要求2所述的自行车，其特征在于，所述杆部包括第一端与第二端，所述第一端与所述平衡电机相连，所述第二端与一弧形部相连。

4.如权利要求3所述的自行车，其特征在于，所述平衡轮还包括壳体，所述壳体包括顶壁与侧壁，所述杆部与所述弧形部设置在所述壳体内。

5.如权利要求2所述的自行车，其特征在于，所述多个杆部沿转动方向均匀排列。

6.如权利要求1所述的自行车，其特征在于，所述自主平衡系统还包括姿态传感器。

7.如权利要求6所述的自行车，其特征在于，所述姿态传感器包括下面中的任一个或任几个的组合：(1)航向检测陀螺仪；(2)倾斜检测陀螺仪；(3)超声波传感器或激光传感器；和(4)震动检测传感器。

8.一种如权利要求1所述的自行车的智能控制方法，其特征在于，所述智能控制方法包括：

控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制。

9.如权利要求8所述的智能控制方法，其特征在于，控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制，包括：

在行车的第一阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第一转速转动；

在行车的第二阶段，所述控制器控制所述平衡电机以第二转速转动，其中，自行车在第一阶段的平均行驶速度小于在第二阶段的平均行驶速度，所述第二转速小于所述第一转速。

10.如权利要求9所述的智能控制方法，其特征在于，所述第一阶段为行车的初始阶段，所述第二阶段为正常行车阶段。

11.如权利要求8所述的智能控制方法，其特征在于，根据车身的倾斜角度，所述控制器对转向电机和/或平衡电机进行控制；

当车身的倾斜角度不超过倾斜阈值时，所述控制器控制所述平衡电机转动以平衡车身；当车身的倾斜角度超过所述倾斜阈值时，所述控制器控制所述转向电机转动以平衡车身。

12.如权利要求11所述的智能控制方法，其特征在于，所述倾斜阈值不小于2度并且不大于5度。

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