CN110171518B - 自平衡车控制系统及自平衡车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自平衡车控制系统及自平衡车，自平衡车控制系统包括：安装在车架上的反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统、传动系统以及车身姿态检测系统，反扭/动力线性转换系统控制反扭/动力电机输出反扭力和/或动力；传动系统将反扭/动力电机输出的反扭力和/或动力传输至自平衡车的车轮；车身姿态检测系统实时检测自平衡车的车身横向姿态，在检测到自平衡车的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动反扭/动力线性转换系统，控制反扭/动力电机输出与车身横向姿态相反的反扭力，将车身拉回平衡状态。由此，采用反扭电机跟动力电机二合一的方式配合反扭/动力线性转换系统，降低了自平衡车的成本，并减小空间占用以及能量消耗。

Description

自平衡车控制系统及自平衡车
技术领域
本发明涉及平衡车技术领域，特别涉及一种自平衡车控制系统及自平衡车。
背景技术
现有的自平衡车保持稳定的方式主要有以下三种：
1、采用重心调整方式来达到平衡；
2、采用车身内置高速旋转的陀螺保持方向稳定；
3、采用独立反扭电机提供反扭力来保持稳定。
上述三种方式存在以下缺陷：
其中，重心调整方式类似于骑自行车的时候通过身体摆动来保持车身稳定，其调整能力非常有限，不能对抗较大的外部干扰。
对于通过高速旋转的陀螺来保持稳定，需要陀螺本身具有足够大的质量和足够高的动能，也就是足够高的转速才能提供足够大的车身稳定能力。而这就意味着需要很大的额外重量、体积以及额外的能量消耗，增加额外的成本。
而通过反扭力来保持平衡，需要独立的反扭电机，保持平衡力的大小跟反扭电机的功率有很大关系，额外的大功率的反扭电机意味着额外的很高的成本，额外的重量、体积以及额外的能量消耗。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种自平衡车控制系统及自平衡车，旨在降低自平衡车的成本，减小空间占用以及能量消耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种自平衡车控制系统，所述自平衡车包括车架和车轮，所述自平衡车控制系统包括：安装在所述车架上的反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统、传动系统以及车身姿态检测系统，其中：
所述反扭/动力电机与所述电池电连接，用于输出反扭力和/或动力；
所述反扭/动力线性转换系统，与所述反扭/动力电机连接，用于控制所述反扭/动力电机输出反扭力和/或动力；
所述传动系统，分别与所述反扭/动力电机及车轮传动连接，用于将所述反扭/动力电机输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车的车轮；
所述车身姿态检测系统，与所述反扭/动力线性转换系统连接，用于实时检测所述自平衡车的车身横向姿态，在检测到所述自平衡车的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动所述反扭/动力线性转换系统，控制所述反扭/动力电机输出与所述车身横向姿态相反的反扭力，将车身拉回平衡状态。
可选地，所述反扭/动力电机包括：定子和与所述定子配合的转子，所述定子与所述电池一同固定在所述车架上。
可选地，所述反扭/动力线性转换系统包括：具备反扭/动力线性转换能力的离合器，所述离合器与所述反扭/动力电机的定子配合连接，在所述离合器处于松开状态时，所述定子可自由转动，在所述离合器处于锁紧状态时，所述定子被锁紧在所述车架上；所述离合器还与所述车身姿态检测系统连接。
可选地，所述离合器还具有工作在临界状态的半离合状态，在半离合状态下，所述离合器控制所述定子部分旋转，以保证相应的动力输出。
可选地，所述自平衡车控制系统还包括外壳，所述反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统以及车身姿态检测系统安装在所述外壳内，所述外壳固定在所述车架上。
可选地，所述传动系统与所述反扭/动力电机的转子传动连接。
可选地，所述自平衡车控制系统还包括：设置在自平衡车后轮上的后轮刹车。
本发明实施例还提出一种自平衡车，其特征在于，包括车架、车轮以及如上所述的自平衡车控制系统。
可选地，所述自平衡车为两轮自平衡车。
可选地，所述车轮包括前轮和后轮，所述传动系统与所述后轮传动连接；所述后轮上设有后轮刹车。
本发明实施例提出的自平衡车控制系统及自平衡车，通过设置安装在车架上的反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统、传动系统以及车身姿态检测系统，其中：反扭/动力电机与所述电池电连接，用于输出反扭力和/或动力；所述反扭/动力线性转换系统，与所述反扭/动力电机连接，用于控制所述反扭/动力电机输出反扭力和/或动力；所述传动系统，分别与所述反扭/动力电机及车轮传动连接，用于将所述反扭/动力电机输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车的车轮；所述车身姿态检测系统，与所述反扭/动力线性转换系统连接，用于实时检测所述自平衡车的车身横向姿态，在检测到所述自平衡车的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动所述反扭/动力线性转换系统，控制所述反扭/动力电机输出与所述车身横向姿态相反的反扭力，将车身拉回平衡状态，由此，采用反扭电机跟动力电机二合一的方式配合反扭/动力线性转换系统，降低了自平衡车的成本，并减小空间占用以及减小能量消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的自平衡车实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例自平衡车处于平衡状态时的前面示意图；
图3为本发明实施例自平衡车处于平衡状态时的侧面示意图；
图4为本发明实施例中反扭/动力线性转换系统锁紧定子的结构示意图；
图5为本发明实施例自平衡车处于非平衡状态时的前面示意图；
图6为本发明实施例自平衡车处于非平衡状态时的侧面示意图；
图7为本发明实施例中反扭/动力线性转换系统松开定子的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 车架 2 车轮
3 反扭/动力电机 4 电池
5 反扭/动力线性转换系统 6 传动系统
7 车身姿态检测系统 8 外壳
31 定子 32 转子
10 自平衡车 9 后轮刹车
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
具体地，请参阅图1，本发明实施例提供一种自平衡车控制系统，所述自平衡车10可以为两轮自平衡车10，比如两轮自行车、两轮摩托车等。本实施例方案主要实现对两轮自平衡车10的横向稳定性控制。
所述自平衡车10包括车架1和车轮2，所述车轮2包括前轮和后轮。
所述自平衡车控制系统包括：安装在所述车架1上的反扭/动力电机3、电池4、反扭/动力线性转换系统5、传动系统6以及车身姿态检测系统7，其中：
所述反扭/动力电机3与所述电池4电连接，用于输出反扭力和/或动力；
所述反扭/动力线性转换系统5，与所述反扭/动力电机3连接，用于控制所述反扭/动力电机3输出反扭力和/或动力；
所述传动系统6，分别与所述反扭/动力电机3及车轮2传动连接，用于将所述反扭/动力电机3输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车10的车轮2；本实施例中，所述传动系统6与所述后轮传动连接。
所述车身姿态检测系统7，与所述反扭/动力线性转换系统5连接，用于实时检测所述自平衡车10的车身横向姿态，在检测到所述自平衡车10的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动所述反扭/动力线性转换系统5，控制所述反扭/动力电机3输出与所述车身横向姿态相反的反扭力，把车身拉回平衡状态。
其中，预设翻转姿态可以是各种非平衡状态。
作为一种实施方式，车身姿态检测系统7可以设置相应的姿态检查模块，比如陀螺仪、位移传感器等来检测车身的运动状态，判断车身横向是否处于稳定平衡状态。
本实施例通过上述方案，具体通过设置安装在车架1上的反扭/动力电机3、电池4、反扭/动力线性转换系统5、传动系统6以及车身姿态检测系统7，其中：反扭/动力电机3与所述电池4电连接，用于输出反扭力和/或动力；所述反扭/动力线性转换系统5，与所述反扭/动力电机3连接，用于控制所述反扭/动力电机3输出反扭力和/或动力；所述传动系统6，分别与所述反扭/动力电机3及车轮2传动连接，用于将所述反扭/动力电机3输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车10的车轮2；所述车身姿态检测系统7，与所述反扭/动力线性转换系统5连接，用于实时检测所述自平衡车10的车身横向姿态，在检测到所述自平衡车10的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动所述反扭/动力线性转换系统5，控制所述反扭/动力电机3输出与所述车身横向姿态相反的反扭力，将车身拉回平衡状态，由此，采用反扭电机跟动力电机二合一的方式配合反扭/动力线性转换系统5，降低了自平衡车10的成本，并减小空间占用以及减小能量消耗。
进一步地，参照图2-图7所示，作为一种实施方式，在本实施例中，所述反扭/动力电机3包括：定子31和与所述定子31配合的转子32，所述传动系统6与所述反扭/动力电机3的转子32传动连接。
所述定子31与所述电池4一同固定在所述车架1上。由此，将反扭/动力电机3的定子31与自平衡车10车身的其他的较大质量的配件(本实施例中占车身很大重量的电池4)固定在一起以提供足够大的质量，使得反扭/动力线性转换系统5可以在需要的时候让此部分自由旋转。
其中，所述反扭/动力线性转换系统5控制反扭/动力电机3输出反扭力和/或动力的原理如下：
所述反扭/动力线性转换系统5与所述反扭/动力电机3的定子31配合连接，反扭/动力线性转换系统5可以使定子31处于锁紧状态、自由转动状态以及部分旋转状态。
在所述反扭/动力线性转换系统5处于松开状态时，所述定子31可自由转动，如图5、图6及图7所示，定子31可以带动电池4自由转动；在所述反扭/动力线性转换系统5处于锁紧状态时，所述定子31被锁紧在所述车架1上，如图2、图3及图4所示，定子31与电池4固定在车身上；在所述反扭/动力线性转换系统5处于临界状态时，定子31处于部分旋转状态。
具体地，根据自平衡车10的运动状态，反扭/动力线性转换系统5控制所述反扭/动力电机3输出反扭力和/或动力。
在自平衡车10需要全动力输出的时候，定子31被反扭/动力线性转换系统5锁定在车身上，此时可以完全作为动力输出，当需要反扭力保持平衡的时候，定子31被反扭/动力线性转换系统5释放，可以提供强大的反扭力。
此外，在自平衡车10需要动力也需要反扭力保持平衡的时候，反扭/动力线性转换系统5可以工作在临界状态，既可以让定子31部分旋转，也能保证一定的动力输出，类似变速箱的半离合状态。
具体地，作为一种实施方式，所述反扭/动力线性转换系统5包括：具备反扭/动力线性转换能力的离合器，所述离合器与所述反扭/动力电机3的定子31配合连接，在所述离合器处于松开状态时，所述定子31可自由转动，在所述离合器处于锁紧状态时，所述定子31被锁紧在所述车架1上；所述离合器还与所述车身姿态检测系统7连接。
其中，所述离合器还具有工作在临界状态的半离合状态，在半离合状态下，所述离合器控制所述定子31部分旋转，以保证相应的动力输出。
本实施例中，自平衡车控制系统通过反扭/动力线性转换系统5、车身姿态检测系统7与所述反扭/动力电机3实现自平衡车10横向稳定性控制的原理如下：
车身姿态检测系统7实时检测自平衡车10车身的横向姿态，如果发现车身有向任何一边翻倒的可能，就启动反扭/动力线性转换系统5提供反方向的反扭力，把车身拉回平衡状态。具体通过启动所述反扭/动力线性转换系统5，控制所述反扭/动力电机3输出与所述车身横向姿态相反的反扭力至传动系统6，然后通过传动系统6将所述反扭/动力电机3输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车10的车轮2，最终实现车身达到平衡状态，从而实现对车身横向稳定性控制。
进一步地，作为一种实施方式，所述自平衡车控制系统还可以包括外壳8，所述反扭/动力电机3、电池4、反扭/动力线性转换系统5以及车身姿态检测系统7安装在所述外壳8内，所述外壳8固定在所述车架1上。由于采用反扭电机与动力电机二合一的方式配合反扭/动力线性转换系统5，降低了自平衡车10的成本，并减小空间占用以及减小能量消耗，而且，通过将反扭/动力电机3、电池4、反扭/动力线性转换系统5以及车身姿态检测系统7安装在外壳8内，使得自平衡车控制系统结构更加紧凑，进一步减小了空间占用。
进一步地，为了对车速进行更好的控制，作为一种可选的实施方式，还可以在平衡车的后轮上设置后轮刹车，所述自平衡车控制系统还包括：设置在自平衡车后轮上的后轮刹车。
本实施例设置后轮刹车是考虑到：在提供反扭的时候，动力/反扭电机输出功率可能会变大，导致车速突然改变，尤其是导致加速的情况需要受控，因此，可以利用后轮刹车稳定车速。也即是说，自平衡车提供反扭的时候，利用后轮刹车力度大小的控制可以把车速稳定下来，使得车辆不会产生意料之外的速度变化，提高车辆运动稳定性。
需要说明的是，后轮刹车一般在特定情况下使用，比如车辆不需要加速，但是动力受平衡输出增加太多的情况下，通过后轮刹车来控制车速。
此外，本发明实施例还提出一种自平衡车10，包括车架1、车轮2以及如上实施例所述的自平衡车控制系统。其中，自平衡车控制系统实现自平衡车10稳定性控制的原理，请参照上述实施例，在此不再赘述。
相比现有技术，本发明技术方案具有如下有益效果：
1、将动力/反扭电机二合一，可以极大降低自平衡车10成本，尤其是可以将电机部分的成本降低一半。
2、将动力/反扭电机二合一还可以降低车身尺寸，减小车身不必要的额外重量，降低能量消耗，提高续航能力。
3、采用动力/反扭电机二合一的方式，将动力电机移到车身上，可以大幅减小簧下质量，大幅提高减震性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种自平衡车控制系统，所述自平衡车包括车架和车轮，其特征在于，所述自平衡车控制系统包括：安装在所述车架上的反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统、传动系统以及车身姿态检测系统，其中：
所述反扭/动力电机与所述电池电连接，用于输出反扭力和/或动力；
所述反扭/动力线性转换系统，与所述反扭/动力电机连接，用于控制所述反扭/动力电机输出反扭力和/或动力；
所述传动系统，分别与所述反扭/动力电机及车轮传动连接，用于将所述反扭/动力电机输出的反扭力和/或动力传输至所述自平衡车的车轮；
所述车身姿态检测系统，与所述反扭/动力线性转换系统连接，用于实时检测所述自平衡车的车身横向姿态，在检测到所述自平衡车的车身横向姿态达到预设翻转姿态时，启动所述反扭/动力线性转换系统，控制所述反扭/动力电机输出与所述车身横向姿态相反的反扭力，将车身拉回平衡状态；
所述反扭/动力电机包括：定子和与所述定子配合的转子，所述定子与所述电池一同固定在所述车架上；
所述反扭/动力线性转换系统包括：具备反扭/动力线性转换能力的离合器，所述离合器与所述反扭/动力电机的定子配合连接，在所述离合器处于松开状态时，所述定子可自由转动，在所述离合器处于锁紧状态时，所述定子被锁紧在所述车架上；所述离合器还与所述车身姿态检测系统连接。
2.根据权利要求1所述的自平衡车控制系统，其特征在于，所述离合器还具有工作在临界状态的半离合状态，在半离合状态下，所述离合器控制所述定子部分旋转，以保证相应的动力输出。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的自平衡车控制系统，其特征在于，所述自平衡车控制系统还包括外壳，所述反扭/动力电机、电池、反扭/动力线性转换系统以及车身姿态检测系统安装在所述外壳内，所述外壳固定在所述车架上。
4.根据权利要求1所述的自平衡车控制系统，其特征在于，所述传动系统与所述反扭/动力电机的转子传动连接。
5.根据权利要求1所述的自平衡车控制系统，其特征在于，所述自平衡车控制系统还包括：设置在自平衡车后轮上的后轮刹车。
6.一种自平衡车，其特征在于，包括车架、车轮以及权利要求1-5中任一项所述的自平衡车控制系统。
7.根据权利要求6所述的自平衡车，其特征在于，所述自平衡车为两轮自平衡车。
8.根据权利要求7所述的自平衡车，其特征在于，所述车轮包括前轮和后轮，所述传动系统与所述后轮传动连接；所述后轮上设有后轮刹车。
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