CN109955664B - 水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法 - Google Patents

水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法，包括车轮、照明灯、控制箱、气垫、调节轴、延长轴、轮毂电机、隔离罩、支撑柱、气动弹簧、防护罩、状态预估模块和加速度传感器，所述平衡车身的内部设置有座椅，所述平衡车身的底端中部通过螺钉固定连接有气垫。该种发明设计合理，使用方便，能够实现水陆两用，通过在车轮中部设置有动力轮，使得车轮在水中实现驱动作用，具有抗波性能强及稳定性高的优点，便于车辆在水中行进；通过设置有调节轴，使得车轮的角度状态可随状态预估信号进行改变，从而满足路面和水面的行驶；通过设置有防水结构的平衡车身，使得车辆在水中能够实现漂浮，达到水中使用的目的；通过防护罩上设置有状态预估模块和加速度传感器，利用状态预估模块和加速度传感器对平衡车身的稳定进行预估调整。

Description

水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法
技术领域
本发明涉及平衡车技术领域，特别涉及水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法。
背景技术
电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上。利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。
随着人们环保意识的加强，电动车的数量与日俱增。与此同时，科学家经过潜心的研究，终于开发出新款两轮电动平衡车。两轮电动平衡车是一种新型的交通工具，它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同，而是采用两轮并排固定的方式。两轮电动平衡车采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。
目前，市面上的电动平衡车，仅仅能够实现路上行驶，无法实现水陆两用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法，包括驱动轮、连接杆、控制杆、平衡车身、座椅、车轮、照明灯、控制箱、气垫、调节轴、延长轴、轮毂电机、隔离罩、支撑柱、气动弹簧和防护罩，所述平衡车身的内部设置有座椅，所述平衡车身的底端中部通过螺钉固定连接有气垫，所述平衡车身的一侧中部固定连接有控制箱，所述控制箱的前表面中部设置有照明灯，所述控制箱的顶端设置有控制杆，所述气垫的两端对称设置有延长轴，所述延长轴远离气垫的一端通过调节轴铰接有连接杆的一端，所述连接杆的另一端固定连接有轮毂电机，所述轮毂电机设置在驱动轮的内部，所述驱动轮的外侧通过支撑柱固定连接有车轮，所述车轮的外侧设置有隔离罩，所述轮毂电机和气垫之间设置有气动弹簧，所述气动弹簧用于控制气垫的充气和抽气，所述防护罩用于保护驾驶员以及安装有状态预估模块和加速度传感器。
进一步地，所述车轮共设置有两组，每组所述车轮共设置有两个，且两个所述车轮之间的间距大于10cm，所述车轮为空心或实心橡胶轮胎。
进一步地，所述轮毂电机主要由定子、转子以及微逆变器组成，具有扭矩大、转速较低的特点，两个所述电机分别控制两个所述驱动轮旋转，所述电机的输出端与控制箱的输入端电性连接，操作简单方便，对驾驶技巧无特殊要求，使驾驶员更加容易上手。
进一步地，所述连接杆与延长轴之间的夹角为90°或 180°。
进一步地，所述气垫的内部设置有蓄电池和加速度传感器，蓄电池用于提供电能，加速度传感器用于监控车辆运行加速度。
进一步地，所述控制箱上设置有显示屏。
进一步地，所述控制箱的内部设置有状态估算模块。
进一步地，所述平衡车身为四周密封顶端开口的舟型结构，所述平衡车身的表面设置有防水涂层。
水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，包括以下步骤：
S1：在路面行驶时，通过控制杆调整调节轴，使得连接杆与延长轴之间的夹角为180°，驾驶员通过控制杆调整两个轮毂电机的电流差，使得两个轮毂电机的转速不同，从而达到运行过程的角度调整；
S2：通过状态预估模块对车辆稳定性进行评估，加速度传感器对车辆加速度进行监控，并将车辆运行速度和加速度显示在显示屏上；
S3：在水面行驶时，通过控制杆调整调节轴，使得连接杆与延长轴之间的夹角为90°，驾驶员通过控制杆调整两个轮毂电机的电流差，使得两个轮毂电机的转速不同，从而带动两个驱动轮的转速不同，达到水面运行过程的角度调整。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该种发明设计合理，使用方便，能够实现水陆两用：
1)通过在车轮中部设置有动力轮，使得车轮在水中实现驱动作用，具有抗波性能强及稳定性高的优点，便于车辆在水中行进；
2)通过设置有调节轴，使得车轮的角度状态可随状态预估信号进行改变，从而满足路面和水面的行驶；
3)通过设置有防水结构的平衡车身，使得车辆在水中能够实现漂浮，达到水中使用的目的；
4)通过设置有状态预估模块和加速度传感器，利用状态预估模块和加速度传感器对平衡车身的稳定进行预估调整，从而实现稳定的效果。
该发明结构设计巧妙，能够实现水陆两用效果，适合广泛推广。
附图说明
图1为本发明的整体陆上行驶状态的结构示意图；
图2为本发明的整体水上行驶状态的结构示意图；
图3为本发明的整体水上行驶状态的结构示意图；
图4为本发明的整体仰视的结构示意图；
图5为本发明的车轮的结构示意图；
图6为本发明的工作原理示意图。
图中：1、驱动轮；2、连接杆；3、控制杆；4、平衡车身；5、座椅；6、车轮；7、照明灯；8、控制箱；9、气垫； 10、调节轴；11、延长轴；12、轮毂电机；13、隔离罩；14、支撑柱；15、气动弹簧；16、防护罩；17状态预估模块；18 加速度传感器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-6所示，水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法，包括驱动轮1、连接杆2、控制杆3、平衡车身 4、座椅5、车轮6、照明灯7、控制箱8、气垫9、调节轴 10、延长轴11、轮毂电机12、隔离罩13、支撑柱14、支撑柱15、气动弹簧16、防护罩17、状态预估模块18、加速度传感器，所述平衡车身4的内部设置有座椅5，所述平衡车身4的底端中部通过螺钉固定连接有气垫9，所述平衡车身 4的一侧中部固定连接有控制箱8，所述控制箱8的前表面中部设置有照明灯7，所述控制箱8的顶端设置有控制杆3，所述气垫9的两端对称设置有延长轴11，所述延长轴11远离气垫9的一端通过调节轴10铰接有连接杆2的一端，所述连接杆2的另一端固定连接有轮毂电机12，所述轮毂电机12设置在驱动轮1的内部，所述驱动轮1的外侧通过支撑柱14固定连接有车轮6，所述车轮6的外侧设置有隔离罩13，所述轮毂电机12和气垫9之间设置有气动弹簧15，所述气动弹簧15用于控制气垫9的充气和抽气，所述防护罩16用于保护驾驶员以及安装有状态预估模块(17)和加速度传感器(18)。
其中，所述车轮6共设置有两组，每组所述车轮6共设置有两个，且两个所述车轮6之间的间距大于10cm，所述车轮6为空心或实心橡胶轮胎，两个车轮6的设计可以提高车辆整体的稳定性，从而达到平衡效果。
其中，所述轮毂电机12为伺服电机，两个所述轮毂电机12分别控制两个所述驱动轮1旋转，所述轮毂电机12的输出端与控制箱8的输入端电性连接。
其中，所述连接杆2与延长轴11之间的夹角为90°或 180°，利用调节轴10调整连接杆2与延长轴11之间的夹角状态，从而实现水陆形态的变换。
其中，所述气垫9的内部设置有蓄电池和加速度传感器，蓄电池用于提供电能，加速度传感器用于监控车辆运行加速度。
其中，所述控制箱8上设置有显示屏。
其中，所述控制箱8的内部设置有状态估算模块。
其中，所述平衡车身4为四周密封顶端开口的舟型结构，所述平衡车身4的表面设置有防水涂层。
水陆两用电动平衡车结构装置的控制包括以下步骤：
S1：在路面行驶时，通过控制杆3调整调节轴10，使得连接杆2与延长轴11之间的夹角为180°，驾驶员通过控制杆3调整两个轮毂电机12的电流差，使得两个轮毂电机 12的转速不同，从而达到运行过程的角度调整；
S2：通过状态预估模块17对车辆稳定性进行评估，加速度传感器18对车辆加速度进行监控，并将车辆运行速度和加速度显示在显示屏上；
S3：在水面行驶时，通过控制杆3调整调节轴10，使得连接杆2与延长轴11之间的夹角为90°，驾驶员通过控制杆3调整两个轮毂电机12的电流差，使得两个轮毂电机12 的转速不同，从而带动两个驱动轮1的转速不同，达到水面运行过程的角度调整。
本专利采用分层控制方法设计驱动、制动和转向的集成控制。其流程如图6所示。
其中驾驶员了解路况信息后，通过传感器了解车辆的运行情况，能让驾驶员进行最有效的操作。
其中δf，Kp分别为驾驶员给定的转向角和加速、制动程度；vxd,vyd，rd是由理想参考模型根据驾驶员操作计算获得的车辆前进方向参考车速、侧向参考车速及参考横摆角速度；∑Fx，∑Fy，∑Mz是有约束继承控制单元优化获得的整车控制量；Fxi，Fyi为控制分配单元优化计算得到的两个车轮的前进方向和侧向轮胎力；Ti，ωi，ax，ay，r分别为从执行器控制单元和传感器获得的各个车轮纵向驱动力矩、角速度、车身前进方向加速度、侧向加速度及横摆角速度；另外vx，vy， r是状态估算单元估计的当前车辆状态；μl，μr为车身振动探测器、配重稳定器获得的车身振动加速度系数。
集成控制算法实际包括两个主要的功能模块：即集成控制层和控制分配层。
集成控制层的作用是实现整车控制量的计算，主要由参考模型、集成控制层约束设定和有约束集成控制单元三哥部分组成。理想参考模型符合驾驶员理想操纵特性，根据驾驶员操作δf，Kp计算出当前车辆参考车速vxd,vyd和参考横摆角速度rd；有约束集成控制单元根据这些参考状态量与UKF估算单元输出的车辆当前状态量vx，vy，r之间的差值，在集成控制层约束范围内采用滚动方法计算出整车的控制力或力矩∑Fx，∑Fy，∑Mz。
控制分配层则完全对整车控制力或力矩的优化分配，主要有约束控制分配单元、控制分配层约束设定和转角计算单元。有约束控制分配单元以最小轮胎负荷率为优化目标，根据控制分配层约束条件优化得到各车轮在纵向和侧向的目标轮胎力Fxi，Fyi。转角计算模块则根据侧向的目标轮胎力推算各车轮的目标转角δi。
另外，集成控制算法中所用到的当前车辆状态和车身振动加速度系数分别由状态估算单元和相关传感器获得。
需要说明的是，本发明为水陆两用电动平衡车结构装置及其集成控制方法，使用时，在路面行驶时，通过控制杆3 调整调节轴10，使得连接杆2与延长轴11之间的夹角为180°，驾驶员通过控制杆3调整两个轮毂电机12的电流差，使得两个轮毂电机12的转速不同，从而达到运行过程的角度调整；通过状态预估模块对车辆稳定性进行评估，加速度传感器对车辆加速度进行监控，并将车辆运行速度和加速度显示在显示屏上；在水面行驶时，通过控制杆3调整调节轴10，使得连接杆2与延长轴11之间的夹角为90°，驾驶员通过控制杆3调整两个轮毂电机12的电流差，使得两个轮毂电机12的转速不同，从而带动两个驱动轮1的转速不同，达到水面运行过程的角度调整。
发明的创新点
水陆两用电动平衡车具有以下优点：
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该种发明设计合理，使用方便，能够实现水陆两用：
1)通过在车轮中部设置有动力轮，使得车轮在水中实现驱动作用，具有抗波性能强及稳定性高的优点，便于车辆在水中行进；
2)通过设置有调节轴，使得车轮的角度状态可随状态预估信号进行改变，从而满足路面和水面的行驶；
3)通过设置有防水结构的平衡车身，使得车辆在水中能够实现漂浮，达到水中使用的目的；
4)通过设置有状态预估模块和加速度传感器，利用状态预估模块和加速度传感器对平衡车身的稳定进行预估调整，从而实现稳定的效果。
该发明结构设计巧妙，能够实现水陆两用效果，适合广泛推广。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，水陆两用电动平衡车结构装置包括驱动轮(1)、连接杆(2)、控制杆(3)、平衡车身(4)、座椅(5)、车轮(6)、照明灯(7)、控制箱(8)、气垫(9)、调节轴(10)、延长轴(11)、轮毂电机(12)、隔离罩(13)、支撑柱(14)、气动弹簧(15)、防护罩(16)、状态预估模块(17)和加速度传感器(18)，所述平衡车身(4)的内部设置有座椅(5)，所述平衡车身(4)的底端中部通过螺钉固定连接有气垫(9)，所述平衡车身(4)的一侧中部固定连接有控制箱(8)，所述控制箱(8)的前表面中部设置有照明灯(7)，所述控制箱(8)的顶端设置有控制杆(3)，所述气垫(9)的两端对称设置有延长轴(11)，所述延长轴(11)远离气垫(9)的一端通过调节轴(10)铰接有连接杆(2)的一端，所述连接杆(2)的另一端固定连接有轮毂电机(12)，所述轮毂电机(12)设置在驱动轮(1)的内部，所述驱动轮(1)的外侧通过支撑柱(14)固定连接有车轮(6)，所述车轮(6)的外侧设置有隔离罩(13)，所述轮毂电机(12)和气垫(9)之间设置有气动弹簧(15)，所述气动弹簧(15)用于控制气垫(9)的充气和抽气，所述防护罩(16)用于保护驾驶员以及安装状态预估模块(17)和加速度传感器(18)，其特征在于：集成控制方法包括以下步骤：
S1：在路面行驶时，通过控制杆(3)调整调节轴(10)，使得连接杆(2)与延长轴(11)之间的夹角为180°，驾驶员通过控制杆(3)调整两个轮毂电机(12)的电流差，使得两个轮毂电机(12)的转速不同，从而达到运行过程的角度调整；
S2：在水面行驶时，通过控制杆(3)调整调节轴(10)，使得连接杆(2)与延长轴(11)之间的夹角为90°，驾驶员通过控制杆(3)调整两个轮毂电机(12)的电流差，使得两个轮毂电机(12)的转速不同，从而带动两个驱动轮(1)的转速不同，达到水面运行过程的角度调整；
S3：通过防护罩(16)设有的状态预估模块(17)对车辆稳定性进行评估，加速度传感器(18)对车辆加速度进行监控，并将车辆运行速度和加速度显示在显示屏上，使驾驶员了解路况信息，采用集成控制算法对平衡车进行控制，所述集成控制算法包括集成控制层和控制分配层，所述集成控制层包括参考模型、集成控制层约束设定和有约束集成控制单元，通过驾驶员的操作将转向角信号δf和加速及制动信号Kp输入至参考模型，参考模型根据输入信号计算出当前平衡车的参考状态量并输入至有约束集成控制单元，参考状态量包括前进方向参考车速Vxd、侧向参考车速Vyd及参考横摆角速度rd，状态预估模块(17)中状态估算单元将平衡车的当前状态量输入至有约束集成控制单元，当前状态量包括前进方向当前车速Vx、侧向当前车速Vy及当前横摆角速度r，有约束集成控制单元根据参考状态量和当前状态量的差值在集成控制层约束设定范围内采用滚动方法计算出平衡车的控制量，控制量包括前进方向控制力∑Fx、侧向控制力∑Fy和控制力矩∑Mz，所述控制分配层包括有约束控制分配单元、控制分配层约束设定和转角计算单元，有约束集成控制单元将平衡车的控制量输入有约束控制分配单元，有约束控制分配单元以小轮胎负荷率为优化目标，根据控制分配层约束设定得到各车轮的纵向目标轮胎力Fxi和侧向目标轮胎力Fyi，侧向目标轮胎力Fyi输入至转角计算单元，转角计算单元根据侧向目标轮胎力Fyi计算得出目标转角δi，纵向目标轮胎力Fxi和目标转角δi均输入至轮毂电机(12)。
2.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述车轮(6)共设置有两组，每组所述车轮(6)共设置有两个，且两个所述车轮(6)之间的间距大于10cm，所述车轮(6)为空心或实心橡胶轮胎。
3.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述轮毂电机(12)数量为两个，两个所述轮毂电机(12)分别控制两个所述驱动轮(1)旋转，所述轮毂电机(12)的输入端与控制箱(8)的输出端电性连接。
4.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述连接杆(2)与延长轴(11)之间的夹角为90°或180°。
5.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述气垫(9)的内部设置有蓄电池和加速度传感器，蓄电池用于提供电能，加速度传感器用于监控车辆运行加速度。
6.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述控制箱(8)上设置有显示屏。
7.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述控制箱(8)的内部设置有状态估算模块。
8.根据权利要求1所述的水陆两用电动平衡车结构装置的集成控制方法，其特征在于：所述平衡车身(4)为四周密封顶端开口的舟型结构，所述平衡车身(4)的表面设置有防水涂层。
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