CN111361681A - 一种可实现自行车自平衡的装置、方法及自行车 - Google Patents

一种可实现自行车自平衡的装置、方法及自行车 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可实现自行车自平衡的装置，包括主控制器，主控制器与检测系统、驱动系统连接；检测系统包括倾角传感器，用于检测自行车的倾角状态，并将检测信息传输至主控制器；驱动系统包括平衡系统和转向系统，转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与自行车的车头连接，控制车头转动角度和速度；平衡系统包括飞轮平衡机构和滑块平衡机构，飞轮平衡机构与自行车的车轮连接，与车轮转轴同轴固定；滑块平衡机构包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，导轨与自行车的支架连接；主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至驱动系统。解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡。

Description

一种可实现自行车自平衡的装置、方法及自行车
技术领域
本发明涉及一种可实现自行车自平衡的装置、方法及自行车，具体地说是一种可以实现自行车自主平衡的控制方法、实验装置及自行车，属于机电控制领域。
背景技术
自行车是人们日常生活中最常见的交通工具之一，纵观自行车的发展史，在自行车的发展演化过程中，虽然结构简单，但其却蕴含着丰富的科学问题。由于自行车与支撑路面仅有两个接触点，因此从物理本质上是不稳定的，类似于“倒立摆”结构，但是当人为控制自行车，或自行车在适当的速度条件下，自行车却能实现真正的“自行”，呈现了完美的动力学稳定性问题。
目前对于自行车的自平衡的研究主要针对力学模型的建立以及动力学运动学的分析，但其分析内容情景单一，物理模型较为简单，不能很好地对自行车的力学以及运动学模型进行分析。已有一些研究团队实现在常规自行车上改装，通过自行车的车头摆动可实现自行车的简单运动平衡，但其运动平衡仅仅针对于自行车向前行驶的情况，且在低速和静止条件下，仍无法实现自行车的自平衡。再有用于验证自行车动平衡的TMS自行车，可在一定的速度下无需任何辅助控制，仅利用自身结构特性实现车体的运动自平衡，对于静止和低速情形，仍无法实现自平衡，且其结构特殊无法正常骑行，仅用于实验验证。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种可实现自行车自平衡的装置、方法和自行车，是一种基于实时运动控制器的自平衡控制系统、控制理论和控制方法，具有运动及静止自平衡，抗扰能力强等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种可实现自行车自平衡的装置，包括主控制器，主控制器与检测系统、驱动系统连接；检测系统包括倾角传感器，用于检测自行车的倾角状态，并将检测信息传输至主控制器；
驱动系统包括平衡系统和转向系统，转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与自行车的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡系统包括飞轮平衡机构和滑块平衡机构，飞轮平衡机构与自行车的车轮连接，与车轮转轴同轴固定；滑块平衡机构包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，导轨与自行车的支架连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至驱动系统。
第二方面，本发明还提供了一种可实现自行车自平衡的控制方法，步骤包括：
按下电源总开关启动系统，通过主控制器查看系统的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测系统的倾角传感器，并实时读取检测系统的倾角传感器的数据；
获得自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度，并根据伺服行走电机的反馈获得自行车车体的行走速度，通过建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度和行走速度计算出转向电机的转角、角速度和无刷轮毂平衡电机的转速，以及运动滑块的位置、速度和加速度；
通过控制转向电机的转角和角速度使得自行车车体的重心回到车体的正下方，通过控制运动滑块的位置、速度、加速度改变整个自行车系统的质量分布并提供自行车车体在左右方向上的回复力，通过无刷轮毂平衡电机带动飞轮转盘高速旋转产生陀螺效应提高自行车车体的平衡能力，以此达到自行车的自平衡。
第三方面，本发明还提供了一种可实现自行车自平衡的自行车，包括自行车、固定架和如第一方面可实现自行车自平衡的装置，所述可实现自行车自平衡的装置通过固定架安装到自行车上；所述固定架分为上、中、下三层，上层用于固定控制系统、倾角传感器、显示屏和电源总开关，倾角传感器的固定平面与水平面平行；中层用于固定驱动系统和滑块平衡机构，下层用于固定电池和行走动力机构，飞轮平衡机构固定到自行车车体的前车轮处。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的该自行车自平衡装置在前轮安装高速旋转的飞轮转盘，通过飞轮转盘高速旋转产生的陀螺效应帮助自行车提高平衡性能，在此基础上通过转向电机和可以产生左右方向回复力的滑块平衡机构来调节自行车的平衡，解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡。
2、本发明在车体的参数发生变化时可以通过上位机软件和无线遥控设备实时动态的调整运动学方程参数，使得系统再次达到自平衡状态，大大提高了自平衡自行车的灵活性，解决了车体参数变化就必须重新建模分析的问题，大大提高了模型的鲁棒性。
3、本发明可以通过改变滑块平衡机构或者飞轮平衡机构的配重块的数量和位置来改变自平衡系统的抗扰性和稳定性，使得自平衡自行车可以适应其他复杂路面。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
附图1为本发明的可实现自行车自平衡的装置结构示意图；
附图2为本发明的滑块平衡机构的结构示意图；
附图3为本发明的飞轮平衡机构的去除一侧端盖的结构示意图；
附图4为本发明的行走动力机构的结构示意图；
附图5为本发明的无刷轮毂行走电机的结构示意图；
附图6为本发明的运动参数示意图；
附图7为本发明的电气连接示意图；
附图8为本发明的控制流程示意图。
图中，1、自行车车体，2、转向电机，3、倾角传感器，4、显示器，5、上位机控制软件，6、控制系统，7、固定架，8、电源总开关，9、行走动力机构，9.1、伺服行走电机，9.2、同步带传动机构，9＇、无刷轮毂行走电机，10、驱动系统，11、电池，12、滑块平衡机构，12.1、配重块，12.2、直线导轨，12.3、伺服电机，12.4、运动滑块，13、飞轮平衡机构，13.1、飞轮转盘，13.2、保护外壳，13.3、飞轮配重块，13.4、无刷轮毂平衡电机，14、无线遥控设备。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，可实现自行车自平衡的装置是由自行车车体1、固定架7、转向电机2、倾角传感器3、滑块平衡机构12、飞轮平衡机构13、控制系统6、驱动系统10、行走动力机构9、显示器4、电源总开关8、电池11、无线遥控设备14和上位机控制软件5组成的，转向电机2与自行车车体1的车头转轴连接，使得转向电机2可以控制自行车车体1转动车头的方向，固定架7固定到自行车车体1的适当位置，固定架7分为三层，上层用于固定控制系统6、倾角传感器3、显示屏4和电源总开关8，倾角传感器3与固定架7的固定平面与水平面平行，中层用于固定驱动系统10和滑块平衡机构12，下层用于固定电池11和行走动力机构9，飞轮平衡机构13固定到自行车车体1的前车轮处，飞轮平衡机构13与自行车车体1的前轮转轴同轴固定，电池11固定到固定架7的适当位置，为倾角传感器3、显示器4、控制系统6、驱动系统10供电，电源总开关8控制整个系统的电源通断，显示器4、驱动系统10、倾角传感器3通过控制线与控制系统6连接，滑块平衡机构12、飞轮平衡机构13、转向电机2和行走动力机构9通过驱动线与驱动系统10连接，通过无线遥控设备14和上位机控制软件5可以对系统进行控制。
滑块平衡机构12是由直线导轨12.2、运动滑块12.4、配重块12.1和伺服电机12.3组成的，直线导轨12.2固定到固定架7的适当位置，伺服电机12.3的转轴与直线导轨12.2的输入轴连接，使得伺服电机12.3可以带动运动滑块12.4左右移动，配重块12.1有多个，配重块12.1固定到运动滑块12.4上，可根据需求改变固定到运动滑块12.4上的配重块12.1的数量。
飞轮平衡机构13是由保护外壳13.2、无刷轮毂平衡电机13.4、飞轮转盘13.1和飞轮配重块13.3组成的，无刷轮毂平衡电机13.4的内定子与自行车车体1的前轮同轴固定，无刷轮毂平衡电机13.4的外转子与飞轮转盘13.1固定，使得无刷轮毂平衡电机13.4可以带动飞轮转盘13.1高速旋转，飞轮配重块13.3通过的飞轮转盘13.1上均匀分布的配重盘安装孔固定，可以根据实际情况改变固定到飞轮转盘13.1上的飞轮配重块13.3的数量。
行走动力机构9是由伺服行走电机9.1和同步带传动机构9.2组成的，伺服行走电机9.1的输出轴与同步带传动机构9.2的输入轴连接，的同步带传动机构9.2的输出轴与自行车车体1的后轮转轴连接，使得伺服行走电机9.1可以通过带动自行车车体1的后轮旋转来带动自行车车体1运动，
作为可能的一些实现方式，行走动力机构9能够为无刷轮毂行走电机9＇，无刷轮毂行走电机9＇通过驱动线与驱动系统10连接。
作为可能的一些实现方式，无线遥控设备14能够为安装手机控制软件的智能手机，可通过智能手机的控制软件对自行车进行控制。
实施例2
一种可实现自行车自平衡的控制方法，具体步骤如下：
a.按下电源总开关8启动系统，通过显示屏4上的上位机控制软件5的界面查看系统的各个部分的供电及参数信息是否正常；
b.通过观察上位机控制软件5的界面上的倾角传感器3的信息并摆动自行车车体1查看倾角传感器3的信息是否存在偏差，若果存在偏差则通过上位机控制软件5的界面进行倾角传感器3的校准；
c.通过上位控制机软件5或者无线遥控设备14启动程序，此时，上位机控制软件5会实时读取倾角传感器3的数据，获得自行车车体1的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ，并根据伺服行走电机9.1的反馈获得自行车车体1的行走速度μ，通过建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体1的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机2的转角δ、角速度β和无刷轮毂平衡电机13.4的转速ω，以及运动滑块12.4的位置χ、速度υ和加速度a；
d.通过控制转向电机2的转角δ和角速度β可以使得自行车车体1的重心回到车体的正下方，通过控制运动滑块12.4的位置χ、速度υ、加速度a可以改变整个自行车系统的质量分布并提供自行车车体1在左右方向上的回复力f，通过无刷轮毂平衡电机13.4带动飞轮转盘13.1高速旋转可以产生陀螺效应提高自行车车体1的平衡能力，即在提高了自行车车体1的平衡能力的基础上再通过调节自行车车体1的重心以及产生自行车车体1左右方向上的回复力f便可以维持自行车车体1的平衡，以此达到自行车的自平衡；
e.如果因为外界因素改变了自行车车体1的质量分布会使得步骤c里的运动学模型的参数发生变化，此时，需要通过上位控制机软件5或者无线遥控设备14动态的调节运动学模型的参数系数值，直到自行车车体1重新恢复自平衡能力；
f.对于不同的路面，可以通过改变滑块平衡机构12的配重块12.1的数量来改变步骤d里运动滑块12.4左右运动产生的自行车车体1左右方向上的回复力f，或者通过改变飞轮平衡机构13的飞轮配重块13.3的数量和位置来改变步骤d里飞轮转盘13.1高速旋转产生的陀螺效应的强度，以此提高自平衡系统的抗扰性和适应性；
g.通过步骤a-f可以使得自行车车体1实现完全的自平衡，包括运动平衡和静止平衡，通过无线遥控设备14便可以控制自行车在无人骑行的状态下前进、后退、转向和加减速。
一种可实现自行车自平衡的控制理论，具体内容如下：
在实际控制中，上位机控制软件5会对后框架倾角、车把转角、后车轮转角和滑块位移进行控制，控制的流程图如附图8所示，图中记Π＝(pf,1,pf,2,θ),pf,1,pf,2为前轮与地面接触点的空间位置，θ为自行车后框架倾角。理想状态：Πd控制输入
Figure BDA0002417591230000091
δ为车把转角，
Figure BDA0002417591230000092
为后轮角速度，s为滑块位置。
实施例3
一种可实现自行车自平衡的装置，包括主控制器，主控制器与检测系统、驱动系统连接；检测系统包括倾角传感器，用于检测自行车的倾角状态，并将检测信息传输至主控制器；
驱动系统包括平衡系统和转向系统，转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与自行车的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡系统包括飞轮平衡机构和滑块平衡机构，飞轮平衡机构与自行车的车轮连接，与车轮转轴同轴固定；滑块平衡机构包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，导轨与自行车的支架连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至驱动系统。
所述飞轮平衡机构包括无刷轮毂平衡电机、飞轮转盘和飞轮配重块；无刷轮毂平衡电机的外转子与飞轮转盘连接，飞轮转盘与飞轮配重块可拆卸连接。
所述无刷轮毂平衡电机的内定子与自行车车体的前轮同轴固定；飞轮配重块通过的飞轮转盘上均匀分布的配重块安装孔固定连接。
所述滑块平衡机构还包括配重块和伺服电机，所述伺服电机的转轴与直线导轨的输入轴连接，使得伺服电机带动滑块沿导轨移动；配重块与运动滑块可拆卸连接，配重块的数量可调。
所述主控制器还与供电系统连接，供电系统与驱动系统、检测系统连接，用于提供电能。
所述驱动系统还包括行走动力机构，行走动力机构包括伺服行走电机和同步带传动机构，伺服行走电机的输出轴与同步带传动机构的输入轴连接。
所述主控制器包括显示屏和通讯模块，显示屏用于查看系统参数信息，通讯模块用于实现与无线遥控设备的远程通讯。
在其他实施例中，还提供：
一种可实现自行车自平衡的控制方法，步骤包括：
按下电源总开关启动系统，通过主控制器查看系统的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测系统的倾角传感器，并实时读取检测系统的倾角传感器的数据；
获得自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度，根据伺服行走电机的反馈获得自行车车体的行走速度，建立自行车的运动学模型，基于运动学模型根据自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度和行走速度计算出转向电机的转角、角速度和无刷轮毂平衡电机的转速，以及运动滑块的位置、速度和加速度；
通过控制转向电机的转角和角速度使得自行车车体的重心回到车体的正下方，通过控制运动滑块的位置、速度、加速度可以改变整个自行车系统的质量分布并提供自行车车体在左右方向上的回复力，通过无刷轮毂平衡电机带动飞轮转盘高速旋转可以产生陀螺效应提高自行车车体的平衡能力，以此达到自行车的自平衡。
自行车系统是典型的多刚体系统，对自行车本体而言，忽略传动机构、载人装置等附属结构，主要由前框架、后框架、前车轮和后车轮四个刚体组成，它们通过三个铰链连接，且忽略铰接处的间隙、摩擦等因素，系统具有九个自由度。当考虑自行车在水平路面行驶时，假设自行车无侧滑，即作纯滚动运动，基于分析力学中的Gibbs-Appell方程，建立自行车的动力学模型如下：
Figure BDA0002417591230000111
其中，mij表示自行车的四个刚体质量，θ代表自行车车体1的后框架倾角，δ代表车把转角，φr代表后车轮转角，ys代表代表运动滑块12.4的线位移
Figure BDA0002417591230000112
Pi(θ,δ,ys)表示与后框架倾角、车把转角和运动滑块位移有关的广义力。
一种可实现自行车自平衡的自行车，包括自行车、固定架和如权利要求1-8可实现自行车自平衡的装置，所述可实现自行车自平衡的装置通过固定架安装到自行车上；所述固定架分为上、中、下三层，上层用于固定控制系统、倾角传感器、显示屏和电源总开关，倾角传感器的固定平面与水平面平行；中层用于固定驱动系统和滑块平衡机构，下层用于固定电池和行走动力机构，飞轮平衡机构固定到自行车车体的前车轮处。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，包括主控制器，主控制器与检测系统、驱动系统连接；检测系统包括倾角传感器，用于检测自行车的倾角状态，并将检测信息传输至主控制器；
驱动系统包括平衡系统和转向系统，转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与自行车的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡系统包括飞轮平衡机构和滑块平衡机构，飞轮平衡机构与自行车的车轮连接，与车轮转轴同轴固定；滑块平衡机构包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，导轨与自行车的支架连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至驱动系统。
2.如权利要求1可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述飞轮平衡机构包括无刷轮毂平衡电机、飞轮转盘和飞轮配重块；无刷轮毂平衡电机的外转子与飞轮转盘连接，飞轮转盘与飞轮配重块可拆卸连接。
3.如权利要求2可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述无刷轮毂平衡电机的内定子与自行车车体的前轮同轴固定；飞轮配重块通过的飞轮转盘上均匀分布的配重块安装孔固定连接。
4.如权利要求1可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述滑块平衡机构还包括配重块和伺服电机，所述伺服电机的转轴与直线导轨的输入轴连接，使得伺服电机带动滑块沿导轨移动；配重块与运动滑块可拆卸连接，配重块的数量可调。
5.如权利要求1可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述主控制器还与供电系统连接，供电系统与驱动系统、检测系统连接，用于提供电能。
6.如权利要求1可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述驱动系统还包括行走动力机构，行走动力机构包括伺服行走电机和同步带传动机构，伺服行走电机的输出轴与同步带传动机构的输入轴连接。
7.如权利要求1可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述主控制器包括显示屏和通讯模块，显示屏用于查看系统参数信息，通讯模块用于实现与无线遥控设备的远程通讯。
8.一种可实现自行车自平衡的控制方法，其特征在于，步骤包括：
按下电源总开关启动系统，通过主控制器查看系统的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测系统的倾角传感器，并实时读取检测系统的倾角传感器的数据；
获得自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度，根据伺服行走电机的反馈获得自行车车体的行走速度，建立自行车的运动学模型，基于运动学模型根据自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度和行走速度计算出转向电机的转角、角速度和无刷轮毂平衡电机的转速，以及运动滑块的位置、速度和加速度；
通过控制转向电机的转角和角速度使得自行车车体的重心回到车体的正下方，通过控制运动滑块的位置、速度、加速度改变整个自行车系统的质量分布并提供自行车车体在左右方向上的回复力，通过无刷轮毂平衡电机带动飞轮转盘高速旋转产生陀螺效应提高自行车车体的平衡能力，以此达到自行车的自平衡。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，
建立自行车的动力学模型如下：
Figure FDA0002417591220000031
其中，mij表示自行车的四个刚体质量，θ代表自行车车体1的后框架倾角，δ代表车把转角，φr代表后车轮转角，ys代表运动滑块12.4的线位移
Figure FDA0002417591220000032
Pi(θ,δ,ys)表示与后框架倾角、车把转角和运动滑块位移有关的广义力。
10.一种可实现自行车自平衡的自行车，其特征在于，包括自行车、固定架和如权利要求1-8可实现自行车自平衡的装置，所述可实现自行车自平衡的装置通过固定架安装到自行车上；所述固定架分为上、中、下三层，上层用于固定控制系统、倾角传感器、显示屏和电源总开关，倾角传感器的固定平面与水平面平行；中层用于固定驱动系统和滑块平衡机构，下层用于固定电池和行走动力机构，飞轮平衡机构固定到自行车车体的前车轮处。
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