CN109911085A - 重心可调的两轮自平衡底盘装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重心可调的两轮自平衡底盘装置，属于机器人技术领域，包括底盘、设置在底盘上的两个轮毂电机、安装在所述轮毂电机上的行走轮、安装在所述底盘下方的电池及配套的控制电路，其特征在于：在所述底盘上设有重心调整组件，所述重心调整组件包括重心调整块以及驱动重心调整块上下移动的直线驱动机构。本发明的装置在设备空闲时，控制重心调整块下降，使系统重心下降至轮毂电机输出轴水平面以下，不再需要轮毂电机频繁驱动形成的动态平衡，也不需要外部辅助支撑，起到了节能效果，也不影响底盘的外观设计，当设备运行时，控制重心调整块上升，使系统重心上升至轮毂电机输出轴水平线以上，使系统进入动态平衡。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种重心可调的两轮自平衡底盘装置。
背景技术
电动两轮自平衡车底盘实现是建立在“动态稳定”的原理上，即利用平衡车底盘内部集成的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体底盘姿态的变化，通过配套的伺服控制系统，精确地驱动轮毂电机进行相应的调整，以保持系统的动态平衡。
两轮电动平衡车一般采用两个轮子支撑，锂离子电池供电，无刷直流电机驱动，单片机通过采集角速度和角加速度信号并进行运算得出平衡车底盘的姿态角，从而控制车体的平衡。通常平衡车通过检测人体重心的改变（即底盘姿态角的变化）实现车辆的平衡、行走、转弯、刹车等动作。
现有的两轮自平衡设备存在有一定弊端：由于平衡车的实现是建立在“动态稳定”的原理上，自平衡两轮设备需要不停的正、反向驱动轮毂电机来达到动态稳定的效果，若设备长时间无任务，大部分的电池电量将被消耗在动态平衡上，不符合节能环保的理念。为达到节能效果，也有的两轮自平衡设备一般会添加辅助支撑，即设备空闲时辅助支撑自动落下。但是辅助支撑容易受到不平地面或者地面有异物等因素的干扰，而自适应辅助支撑实现的难度较大，且成本较高，同时辅助支撑对设备的外观也会有一定的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种重心可调的两轮自平衡底盘装置，通过在底盘上设置重心调整组件，姿态检测模块实时检测底盘姿态角的变化，通过重心调整组件改变底盘装置的重心使其在静态平衡和动态平衡之间进行切换。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种重心可调的两轮自平衡底盘装置，包括底盘、设置在底盘上的两个轮毂电机、安装在所述轮毂电机上的行走轮、安装在所述底盘下方的电池及配套的控制电路，其特征在于：在所述底盘上设有重心调整组件，所述重心调整组件包括重心调整块以及驱动重心调整块上下移动的直线驱动机构。
本发明的有益技术效果是：1、在设备空闲时，控制电路会发出控制指令使升降驱动电机带动重心调整块下降，使系统重心下降至轮毂电机输出轴水平面以下，系统进入静态平衡，不再需要轮毂电机频繁驱动形成的动态平衡，也不需要外部辅助支撑，起到了节能效果，也不影响底盘的外观设计，当设备运行时，控制电路发出控制指令使升降驱动电机带动重心调整块上升，使系统重心上升至轮毂电机输出轴水平线以上，使系统进入动态平衡；2、采用直流无刷轮毂电机，轮毂电机本体集成与轮毂内，节省了安装电机需要的物理空间，并且直流无刷轮毂电机具有无摩擦，无电火花，免维护的功能，直流无刷电机相对于直流有刷电机对于母线电压的利用率更高，使系统的效率更高，有效延长了设备的工作时间；3、在设备运行过程中，行走电机控制器集成了PMSM的FOC的内环（电流环）控制，单片机通过引入轮毂电机的霍尔信号集成了FOC的外环（速度环）控制，由双核心组成的伺服控制系统，实现了PMSM的低速闭环控制，使系统可精确地驱动轮毂电机进行相应的调整；4、在设备上电后，单片机实时读取MPU6050的数据，通过卡尔曼滤波技术把MPU6050的数据和加速度计数据进行融合，及时纠正陀螺仪数据的零点漂移，使得自平衡车底盘的俯仰角和偏航角的解算更加精确；5、在设备运行过程中，单片机实现了单轮毂电机速度环的PID控制，双轮毂电机速度执行百分占比的差速PID控制，以及陀螺仪读取偏航角矫正的PID控制，使平衡车底盘的动作更加流畅和准确；6、单片机通过引入陀螺仪MPU6050的偏航角数据和直流无刷轮毂电机的霍尔信号，进行双闭环控制，使转向角度和速度均可进行精确控制。7、在设备运行过程中，单片机对运算结果进行了平滑滤波输出，除紧急停止外，使得自平衡底盘的各个分解动作更加平滑；8、在设备运行过程中，充分考虑锂离子电池在本系统中的作用，电路上设置有短路保护、过流保护和欠压保护，防止大电流对锂离子电池的冲击和锂离子电池过度放电引起的提前老化现象。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明重心可调的两轮自平衡底盘装置的结构示意图；
图2是本发明重心可调的两轮自平衡底盘装置的控制原理示意图。
在附图中：1是底盘，2是轮毂电机，3是行走轮，4是电池，5是重心调整块，6是安装板，7是升降驱动电机，8是齿轮，9是齿条，10是滑轨，11是滑块，12是单片机，13是行走电机控制器，14是姿态检测模块。
具体实施方式
参见附图1，本发明提供了一种重心可调的两轮自平衡底盘装置，包括底盘1、设置在底盘1上的两个轮毂电机2、安装在轮毂电机2上的行走轮3、安装在底盘1下方的电池4及配套的控制电路，关键在于：在底盘1上设有重心调整组件，重心调整组件包括重心调整块5以及驱动重心调整块5上下移动的直线驱动机构。
上述的直线驱动机构中包括固定在底盘1上安装板6、设置在安装板6上的升降驱动电机7、固定在升降驱动电机7的输出轴上的齿轮8、借助导向组件限位在安装板6上并与齿轮8相啮合的齿条9，重心调整块5与齿条9的底部相连。本领域人员可以想到的是，直线驱动机构还可以采用电动推杆、气缸等直线驱动机构。
在底盘1上设有与重心调整块5相配套的放置孔，当重心处于高位时（即动态平衡时）重心调整块5穿过放置孔处于放置孔内或位于放置孔上方，当重心处于低位时（即静态平衡时）重心调整块5向下移动穿过放置孔位于放置孔的下方。导向组件包括设置在安装板6上的滑轨10以及与滑轨10相配套的滑块11，滑块11与齿条9相连。轮毂电机2优选是直流无刷轮毂电机。电池4还可以设置在重心调整块5上利用电池的重量作为重心调整的一部分。
参见附图2，控制电路中包括单片机12、与单片机12相连的行走电机控制器13和姿态检测模块14，轮毂电机2与行走电机控制器13相连，直线驱动机构的信号端与单片机12相连。单片机12和行走电机控制器13均采用STM32F103RCT6。姿态检测模块14采用MPU-6050，此传感器集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计于一体，体积更小。单片机12发出第一控制信号给行走电机控制器13，行走电机控制器13分别发出信号给两个直流无刷轮毂电机，进而带动底盘行走，两个直流无刷轮毂电机驱动自平衡底盘实现平衡、行走、转弯、刹车等动作。
更具体地，单片机12与行走电机控制器13配合完成直流无刷轮毂电机的伺服控制，其中行走电机控制器13实现了直流无刷轮毂电机驱动的内环（电流环）控制，单片机12通过引入直流无刷轮毂电机的霍尔信号，完成直流无刷轮毂电机的外环（速度环）控制。此外，单片机12通过直流无刷轮毂电机的霍尔信号，完成了双轮毂电机同步运行的匹配调节，同时，单片机12依靠引入姿态检测模块14解算得出的偏航角数据，可精确控制底盘部分的转向角度，转向速度及直线前进修正补偿。单片机12发出第二控制信号给升降驱动电机7，升降驱动电机7通过带动重心调整块5上升或者下降实现改变整个装置的重心。单片机12与行走电机控制器13之间通过串行口进行实时通讯。
在设备空闲时，单片机12会发出控制指令使升降驱动电机7带动重心调整块5下降，使系统重心下降至轮毂电机2输出轴水平面以下，系统进入静态平衡，不再需要轮毂电机2频繁驱动形成的动态平衡，也不需要外部辅助支撑，起到了节能效果，也不影响底盘的外观设计，当设备运行时，单片机12发出控制指令使升降驱动电机7带动重心调整块5上升，使系统重心上升至轮毂电机2输出轴水平线以上，使系统进入动态平衡。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种重心可调的两轮自平衡底盘装置，包括底盘（1）、设置在底盘（1）上的两个轮毂电机（2）、安装在所述轮毂电机（2）上的行走轮（3）、安装在所述底盘（1）下方的电池（4）及配套的控制电路，其特征在于：在所述底盘（1）上设有重心调整组件，所述重心调整组件包括重心调整块（5）以及驱动重心调整块（5）上下移动的直线驱动机构。
2.根据权利要求1所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述直线驱动机构中包括固定在所述底盘（1）上安装板（6）、设置在所述安装板（6）上的升降驱动电机（7）、固定在所述升降驱动电机（7）的输出轴上的齿轮（8）、借助导向组件限位在所述安装板（6）上并与所述齿轮（8）相啮合的齿条（9），所述重心调整块（5）与所述齿条（9）相连。
3.根据权利要求2所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述导向组件包括设置在所述安装板（6）上的滑轨（10）以及与滑轨（10）相配套的滑块（11），所述滑块（11）与所述齿条（9）相连。
4.根据权利要求1所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述轮毂电机（2）为直流无刷轮毂电机。
5.根据权利要求1-4任一项所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述控制电路中包括单片机（12）、与单片机（12）相连的行走电机控制器（13）和姿态检测模块（14），所述轮毂电机（2）与所述行走电机控制器（13）相连，所述直线驱动机构的信号端与所述单片机（12）相连。
6.根据权利要求5所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述单片机（12）和所述行走电机控制器（13）均采用STM32F103RCT6。
7.根据权利要求5所述的重心可调的两轮自平衡底盘装置，其特征在于：所述姿态检测模块（14）采用MPU-6050。
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| CN111846004A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-30 | 李荣仲 | 一种设有重心调节机制的四足机器犬 |
| CN114394169A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-26 | 三一重机有限公司 | 导向轮机构及作业机械 |
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