CN110884602A - 一种异轴两轮自平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异轴两轮自平衡车，包括车架、驾驶室、前轮、方向盘、座椅、后轮、自平衡系统、电池组、传感器、控制单元；自平衡系统包括电动机和转子盘，转子盘与电动机转轴固定连接，电动机与车架固定连接。本发明利用自平衡系统施加在车架上的控制力矩来调节车辆的平衡。原理是当车身倾斜时，传感器将车身倾斜信号反馈给控制单元，控制单元控制电机输出转矩，带动转子盘旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘对电动机产生大小相同、方向相反的反作用力矩，反作用力矩作用在车架上，使车辆保持平衡。

Description

一种异轴两轮自平衡车

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，具体涉及一种异轴两轮自平衡车。

背景技术

随着城市的交通状况日益拥挤，以及人们的环境保护意识不断提高，像自行车、电动自行车这些异轴两轮车在市面上很受欢迎。这类两轮车的特点是两个轮子前后布置、不共轴，在行驶中依靠骑行者控制前轮转角实现动态平衡。但是，在低速和静止状态下这类两轮车很难实现平衡，因此需要设计成敞开式的结构，以便骑行者可以用双脚支撑保持平衡和安全。异轴两轮车辆在平衡稳定性方面的缺陷，使得舒适性和安全性得不到保障。为此，需要一种可以封闭的异轴两轮自平衡车，既能兼顾两轮车方便快捷的优点，又能保证舒适安全。

目前，国内外解决异轴两轮车自平衡问题采用的是陀螺稳定器原理。对于高速转动的陀螺仪，通过电动机控制陀螺进动角速度的大小和方向产生控制力矩，用于车辆的平衡控制。但是，陀螺稳定器造价高、耗能大、结构复杂、控制方法实现困难，而且一般需要成对布置以抵消陀螺稳定器对车身竖直方向的转矩。其实，对于二轮车辆的平衡控制有更直接的控制原理。比如，根据作用力和反作用力原理，车辆可以通过向外部施加作用力矩得到反作用力矩，并将此反作用力矩作为平衡所需的控制力矩来实现车辆自平衡。所以，可以利用电动机在低转速也能产生较大转矩这一特点，增大电动机转子转动惯量，通过转子对电动机的反作用力矩调节车辆平衡。

发明内容

技术问题：本发明提供一种利用电动机反作用力矩作为平衡控制力矩的异轴两轮自平衡车。

技术方案：本发明的一种异轴两轮自平衡车，包括车架、驾驶室、前轮、方向盘、座椅、后轮、自平衡系统、传感器、电池组、控制单元，所述自平衡系统包括电动机、转子盘、电动机转轴、轴承，电动机固定在车架上，转子盘固定在电动机转子上，电动机转轴末端与轴承内圈配合，轴承外圈与车架配合。

本发明中，自平衡系统中的电动机转轴的轴向与车辆前进方向相同或平行。

本发明中，转子盘为轴对称、动平衡结构，用来增大电动机转子的转动惯量。转子盘与电动机的转子相连，受转子转矩作用。

本发明中，电池组固定在车架上，或者固定在转子盘上起到增加转子转动惯量的作用。

本发明中，电动机、传感器、控制单元分别连接电池组，传感器与控制单元连接，控制单元与电动机连接。

本发明中，传感器测量车架倾斜角度和角速度并将测量结果传输给控制单元，控制单元采用合适的控制策略控制电动机的旋转方向和输出转矩。

本发明中，电动机可带动转子盘进行顺时针或逆时针转动，根据右手定则，产生沿着车身前进方向的控制力矩或者相反方向的控制力矩。

本发明描述了一种异轴两轮自平衡车，利用自平衡系统施加在车架上的控制力矩来调节异轴两轮车的平衡。主要是当车辆倾斜时，传感器将车辆倾斜信号反馈给控制单元，控制单元控制电动机的旋转方向和输出转矩，带动转子盘旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘对电动机产生大小相同、方向相反的反作用力矩，反作用力矩作为控制力矩施加到车架上使车辆保持平衡。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明中的自平衡系统结构简单，只需一个电动机和转子盘，转子盘的作用是增大转子的转动惯量。

自平衡系统中的转子和转子盘不需要高速旋转，节省能耗，而且陀螺效应很小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为自平衡系统的结构示意图。

图中，车架1、驾驶室2、前轮3、方向盘4、座椅5、后轮6、主动平衡系统7、传感器8、电池组9、控制单元10、电动机7.1、电动机转轴7.2、转子盘7.3、轴承7.4。

具体实施方式

如图1、2所示，一种异轴两轮自平衡车，包括车架1、驾驶室2、前轮3、方向盘4、座椅5、后轮6、自平衡系统7、传感器8、电池组9、控制单元10，所述自平衡系统7包括电动机7.1、转子盘7.3、电动机转轴7.2、轴承7.4，电动机7.1固定在车架1上，转子盘7.3固定在电动机转轴7.2上，电动机转轴7.2末端与轴承7.4内圈配合，轴承7.4外圈与车架1配合。

自平衡系统7中的电动机转轴7.2的轴向与车辆前进方向相同或者平行。

转子盘7.3为轴对称、动平衡结构，用来增大电动机转子的转动惯量。转子盘7.3与电动机7.1的转子相连，受转子转矩作用。

电池组9固定在车架1上，或者固定在转子盘7.4上起到增加转子转动惯量的作用。

电动机7.1、传感器8和控制单元10分别连接电池组9，传感器8与控制单元10连接，控制单元10与电动机7.1连接。

传感器8测量车架1的倾斜角度和角速度并将测量结果传输给控制单元10，控制单元10采用合适的控制策略控制电动机7.1的旋转方向和输出转矩。

电动机7.1可带动转子盘7.3进行顺时针或逆时针转动，根据右手定则，产生沿着车辆前进方向的控制力矩或者相反方向的控制力矩。

本发明具体工作原理是：当车辆启动后，传感器8开始检测车辆竖直、左倾、右倾三种状态和车辆倾倒的角速度，并向控制单元10发送信号，控制单元10控制电动机7.1输出不同旋转方向和大小的转矩，电动机转轴7.2将电动机7.1的转矩作用于转子盘7.3，并带动转子盘7.3旋转；根据作用力与反作用力原理，转子盘7.3对电动机7.1产生反作用力矩，并传递到车架1上，调节车辆左倾和右倾，保持平衡。当车身处于竖直平衡状态时，传感器8将信号发送给控制单元10，控制单元10控制电动机7.1不输出转矩，电动机转轴7.2不带动转子盘7.3转动，转子盘7.3反作用于车架1的控制力矩为零，车辆保持平衡状态。当车身左倾时，传感器8将信号发送给控制单元10，控制单元10控制电动机7.1对电动机转轴7.2施加与车辆前进方向相反的转矩，电动机转轴7.2带动转子盘7.3旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘7.3对电动机7.1产生与车辆前进方向相同的反作用力矩，反作用力矩作为控制力矩传递到车架1上，导致车架1产生旋转，抵抗车辆左倾，使车辆恢复竖直平衡状态。当车辆右倾时，传感器8将信号发送给控制单元10，控制单元10控制电动机7.1对电动机转轴7.2施加与车辆前进方向相同的转矩，电动机转轴7.2带动转子盘7.3旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘7.3对电动机7.1产生与车辆前进方向相反的反作用力矩，反作用力矩作为控制力矩传递到车架1上，导致车架1产生旋转，抵抗车辆右倾，使车辆恢复竖直平衡状态。当车辆左转弯时，自平衡系统7控制车辆左倾一定角度，使得重力对车辆的力矩抵消转弯向心力对车辆的力矩，保持车辆在左转弯时的稳定平衡。当车辆右转弯时，自平衡系统7控制车辆右倾一定角度，使得重力对车辆的力矩抵消向转弯心力对车辆的力矩，保持车辆在右转弯时的稳定平衡。

自平衡系统7与车架1之间的动力学关系表达式：

T₁＝J₁α

T₂＝-T₁

T₂＝J₂β

ω＝∫βdt

θ＝∫ωdt

这里T₁为电动机7.1输出转矩，J₁为转子盘7.3、电动机转轴7.2和电动机转子总的转动惯量，α为转子盘7.3的角加速度，T₂为转子盘7.3对电动机7.1的反作用力矩，即控制力矩，J₂为车辆侧倾时的转动惯量，β为车辆恢复平衡的角加速度，ω为车辆恢复平衡时的角速度，θ为车辆在控制力矩作用下的转动角度。

Claims (5)

1.一种异轴两轮自平衡车，其特征在于：包括车架(1)、驾驶室(2)、前轮(3)、方向盘(4)、座椅(5)、后轮(6)、自平衡系统(7)、传感器(8)、电池组(9)、控制单元(10)，所述自平衡系统(7)包括电动机(7.1)、转子盘(7.3)、电动机转轴(7.2)、轴承(7.4)，电动机(7.1)与车架(1)固定连接，转子盘(7.3)固定在电动机转轴(7.2)上，轴承(7.4)内圈与电动机转轴(7.2)末端配合，轴承(7.4)外圈与车架(1)配合。

2.根据权利要求1所述的异轴两轮自平衡车，其特征在于：自平衡系统(7)中的电动机转轴(7.2)的轴向与车辆前进方向相同或者平行。

3.根据权利要求1所述的异轴两轮自平衡车，其特征在于：转子盘(7.3)为轴对称、动平衡结构，转子盘(7.3)与电动机(7.1)的转子相连，受转子转矩作用。

4.根据权力要求1所述的异轴两轮自平衡车，其特征在于：电池组(9)固定在车架(1)上或者固定在转子盘(7.3)上。

5.根据权利要求1所述的异轴两轮自平衡车，其特征在于：电动机(7.1)、传感器(8)和控制单元(10)分别连接电池组(9)，传感器(8)与控制单元(10)连接，控制单元(10)与电动机(7.1)连接。

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