CN112519943A - 一种自平衡自主行驶两轮车及平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡自主行驶两轮车及平衡控制方法，涉及交通领域，包括车架、前轮、后轮、转向系统、陀螺仪模块、飞轮系统、行驶驱动系统、控制模块、转向位姿检测模块，所述转向系统包括转向叉、平行四杆机构、转向齿轮、舵机，所述前轮可转动地设置于所述转向叉下端，所述平行四杆机构配合所述舵机旋转所述前轮，所述飞轮系统包括飞轮、飞轮转轴、飞轮驱动电机，所述行驶驱动系统包括行驶驱动电机、皮带轮或链轮，所述后轮通过所述皮带轮或所述链轮被所述行驶驱动电机驱动。通过本发明的实施，不仅成本低，形式灵活，还具有车体晃动幅度小，车体平衡稳定性好，用户体验性好的优点。

Description

一种自平衡自主行驶两轮车及平衡控制方法

技术领域

本发明涉及交通领域，尤其涉及一种自平衡自主行驶两轮车及平衡控制方法。

背景技术

随着城市交通问题日益突出，研究新型城市交通工具成为当下社会亟需解决的问题之一，作为智能交通建设的一个重要方向，我国从上个世纪80年代起开始研究自动驾驶。上海交通大学于2005年研发成功国内第一台城市无人驾驶汽车，作为一种新型交通工具，无人驾驶汽车却有着一定的局限性，其不仅存在造价过高，还存在占地面积大，不利于在小城市的小巷穿行。

为了克服上述缺陷，自平衡两轮车的开发逐步兴起。现有的自平衡两轮车，存在晃动幅度较大，车体平衡不太好，用户体验性差的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种自平衡自主行驶两轮车及平衡控制方法，不仅成本低，形式灵活，还具有车体晃动幅度小，车体平衡稳定性好，用户体验性好的优点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有自平衡两轮车车体晃动幅度较大，车体平衡不太好，用户体验性差。

为实现上述目的，本发明提供了一种自平衡自主行驶两轮车,包括车架、前轮、后轮、转向系统、陀螺仪模块、飞轮系统、行驶驱动系统、控制模块、转向位姿检测模块，

所述前轮设置在所述车架前侧，所述后轮设置在所述车架的后侧；

所述转向系统设置在所述前轮与所述车架之间，所述转向系统被配置为能够使得所述前轮转向；

所述陀螺仪模块被配置为能够检测所述两轮车的行驶信息；

所述飞轮系统设置在所述车架中部，所述飞轮系统被配置为能够给所述两轮车提供平衡力；

所述行驶驱动系统被配置为能够驱动所述后轮转动；

所述转向位姿检测模块被配置为检测所述前轮的转向位姿信息；

所述控制系统被配置为能够获取所述陀螺仪模块的检测信息、获取所述转向位姿检测模块的所述转向位姿信息和控制所述转向系统、所述飞轮系统、所述行驶驱动系统。

本技术方案中的所述飞轮系统提供的所述平衡力是指与行驶中的所述两轮车倾斜方向相反的力，所述车架前侧是以所述两轮车行驶的方向为前，位姿信息是指位置和姿态信息。

进一步地，所述转向系统包括转向叉、连杆机构、转向齿轮、转向驱动电机，所述前轮可转动地设置于所述转向叉下端，所述转向叉可转动地设置于所述车架前端，所述转向齿轮固定安装于所述转向驱动电机的输出轴，所述转向齿轮与所述连杆机构的输入端连接，所述转向叉的上端与所述连杆机构的输出端连接。

进一步地，所述飞轮系统包括飞轮、飞轮转轴、飞轮驱动电机；所述飞轮固定设置于所述飞轮转轴中部，所述飞轮转轴两端可转动地设置于所述车架上，所述飞轮驱动电机的输出轴与所述飞轮转轴的一端传动连接。

本技术方案中，所述飞轮驱动电机的输出轴与所述飞轮转轴的一端的所述传动连接是指所述飞轮驱动电机驱动力矩可以通过所述输出轴传递给所述飞轮转轴，进而带动所述飞轮转动，所述传动连接可以通过联轴器连接也可以通过螺栓等固定连接。

本发明的其中一个技术方案中，所述飞轮转轴两端通过滚动轴承安装于所述车架上，所述飞轮转轴被配置为能够抵消由所述飞轮旋转产生的离心力带来的偏移。

进一步地，所述行驶驱动系统包括行驶驱动电机、挠性件传动，所述挠性件传动为带传动或链传动，所述挠性件传动的输入端与所述行驶驱动电机的输出轴连接，所述挠性件传动的输出端与所述后轮连接。

进一步地，所述陀螺仪模块被设置于所述车架的上部。

本技术方案中，所述陀螺仪模块安放在车架的较高位置，可以减少高度和两轮车行进轴线的不确定性带来的角度误差。

进一步地，所述转向叉的中心轴线与所述两轮车下端面的夹角大于等于40°且小于等于90°。

本技术方案中所述两轮车下端面是指与所述前轮和所述后轮下部共切的面。

进一步地，所述转向叉下端为U形管状构件，所述转向系统还包括避震弹簧，所述避震弹簧套设在所述U形管状构件上，所述避震弹簧套的中心轴线与所述U形管状构件轴线重合。

本技术方案中设置的所述避震弹簧可以使得所述两轮车在前行过程中具有避震效果。

进一步地，所述连杆机构为平行四连杆机构，所述四连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述第四连杆依次首尾转动连接，所述第一连杆与所述第三连杆平行，所述第二连杆与所述第四连杆平行，所述第一连杆与所述转向叉上端固定连接，所述第三连杆与所述转向齿轮啮合连接。

本技术方案中通过所述转向驱动电机驱动所述第三连杆转动，所述第三连杆通过所述第二连杆和所述第四连杆驱动所述第一连杆转动，从而实现所述转向叉的转向。采用平行四连杆机构有利于提高转向的稳定性和响应速度。

进一步地，所述两轮车包含所述飞轮的数量大于等于1，所述飞轮的质量被配置为集中在所述飞轮的外圆周上。

本技术方案中所述飞轮的质量被配置为集中在所述飞轮的外圆周上是指所述飞轮外圆周部分的质量占所述飞轮总质量的90％及以上。

进一步地，还包括后座，所述后座固定在所述车架上，所述后座配置有减震弹簧。

本发明还公开了一种所述两轮车的平衡控制方法，包括如下步骤：

所述控制模块接收用户指令；

所述控制模块获取所述陀螺仪模块的检测信息；

所述控制模块根据所述陀螺仪模块的所述检测信息，计算所述飞轮的目标转速，根据所述飞轮的所述目标转速控制所述飞轮驱动电机转动；

所述陀螺仪模块检测所述两轮车的车身信息，所述车身信息包括所述车身的角速度、角加速度；

所述控制模块获取所述转向位姿检测模块的所述转向位姿信息；

所述控制模块根据所述转向位姿信息，计算所述前轮需要的目标转向，控制所述转向驱动电机转动；

所述转向位姿检测模块的检测所述两轮车的所述转向位姿信息；

所述控制模块获取所述两轮车的当前速度、计算当前的目标速度，根据所述目标速度控制所述行驶驱动电机转动。

与现有技术相比，通过本发明的实施，至少具有以下有益的技术效果：

(1)本发明公开的技术方案，具有结构简单、成本低，易于推广。

(2)本发明公开的技术方案将转向系统、陀螺仪模块、飞轮系统、行驶驱动系统和转向位姿检测模块有机结合，控制难度低，系统鲁棒性好，具有车体晃动幅度小，车体平衡稳定性好，用户体验性好的优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的三维结构示意图；

图2是图1所示实施例的飞轮部分局部示意图；

图3是图1所示实施例的连杆机构局部示意图；

图4是图1所示实施例的控制方法控制逻辑图。

其中，1-前轮，2-转向叉，3-平行四连杆机构，31-第一连杆，32-第二连杆，33-第三连杆，34-第四连杆，4-转向驱动电机，41-转向齿轮，5-控制模块，6-飞轮驱动电机，7-飞轮，71-飞轮转轴，8-行驶驱动电机，9-挠性件传动，10-后轮，11-后座，12-车架。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

在本申请实施例的描述中，应该明晰，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本申请实施例和简化描述，而非指示或暗示所描述的装置或元件必须具有特定的方向或位置关系，即不能理解为对本申请实施例的限制；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于方便描述或简化描述，而非指示或暗示其重要性。

如图1所示，本实施例提供的一种自平衡自主行驶两轮车，包括车架12、前轮1、后轮10、转向系统、陀螺仪模块、飞轮系统、行驶驱动系统、控制模块5、转向位姿检测模块、后座11；

前轮1设置在车架12前侧，后轮10设置在车架12的后侧；

转向系统设置在前轮1与车架12之间，转向系统被配置为能够使得前轮1转向；

转向系统包括转向叉2、连杆机构、转向齿轮41、转向驱动电机4，前轮1可转动地设置于转向叉2下端，本发明的一个优选实施例中，前轮1通过旋转轴和套筒与转向叉2下端相连，旋转轴和套筒设置有滚动轴承，转向叉2可转动地设置于车架12前端，本发明的一个优选实施例中，车架12前端与转向叉2连接的地方设置有转向套筒，转向叉2可转动地套设于转向套筒内，转向叉2的转动轴线与转向套筒内孔的中心轴线重合，转向叉2相对于车架12至少可以自由转动±90°，转向齿轮41固定安装于转向驱动电机4的输出轴，转向齿轮41与连杆机构的输入端连接，转向叉2的上端与连杆机构的输出端连接；转向叉2的中心轴线与两轮车下端面的夹角大于等于40°且小于等于90°；

本发明的一个较佳实施例中，转向叉2下端为U形管状构件，如图1所示，转向系统还包括避震弹簧，避震弹簧套设在U形管状构件上，避震弹簧套的中心轴线与U形管状构件轴线重合，通过设置的避震弹簧使得两轮车在前行过程中具有避震效果。

本发明的一个较佳实施例中，连杆机构为平行四连杆机构3，四连杆机构包括第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34，第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34均为直杆构件，第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33和第四连杆34依次首尾转动连接，连接方式可以为螺栓转动连接或铰链连接；第一连杆31与第三连杆33平行，第二连杆32与第四连杆34平行，第一连杆31与转向叉2上端固定连接，第三连杆33与转向齿轮41啮合连接。如图3所示，第一连杆31的中点与转向叉2转动轴线重合，第三连杆33的中点与转向驱动电机4的转动轴线重合，第一连杆31的中点与第三连杆33的中点的连线与第二连杆32和第四连杆34平行，上述结构使得转向驱动电机4的转矩可以分别通过第二连杆32和第四连杆34传递给第一连杆31，进而驱动转向叉2的转动，可以快速响应且有效消除传动结构的间隙。本实施例中，转向驱动电机4优选为转向舵机，与转向舵机输出轴连接的转向齿轮41可以转动的范围至少为±90°，使得前轮1可以在±90°范围内转动，转向舵机通过不少于4个的螺栓固定安装于车架12上，如图1所示；本技术方案中通过转向驱动电机4驱动第三连杆33转动，第三连杆33通过第二连杆32和第四连杆34驱动第一连杆31转动，从而实现转向叉2的转向。采用平行四连杆机构3有利于提高转向的稳定形和响应速度。

陀螺仪模块被配置为能够检测两轮车的行驶信息，包括至少一轴的角速度和角加速度；陀螺仪模块设置在车架12的上部，陀螺仪模块安放在车架12的较高位置，可以减少高度和两轮车行进轴线的不确定性带来的角度误差；本实施例中陀螺仪模块优选为MPU6050陀螺仪模块或其他同等或更优性能型号的陀螺仪模块。

飞轮系统设置在车架12中部，飞轮系统被配置为能够给两轮车提供平衡力；飞轮系统包括飞轮7、飞轮转轴71、飞轮驱动电机6；飞轮7固定设置于飞轮转轴71中部，飞轮7的数量根据需要设置，其数量大于等于1，飞轮7的质量被配置为集中在飞轮7的外圆周上；飞轮转轴71两端通过滚动轴承可转动地设置于车架12上，飞轮转轴71被配置为能够抵消由旋转产生的离心力带来的车辆偏移，飞轮驱动电机6的输出轴的中心轴线与自平衡自主行驶两轮车行驶方向相同，飞轮驱动电机6的输出轴与飞轮转轴71的一端传动连接，传动连接包括齿轮啮合连接、联轴器连接，法兰连接，本实施例优选为联轴器连接；车架12对飞轮转轴71的另一端进行轴向位移约束，防止旋转时产生的轴向力对其作用产生偏移；如图2所示，飞轮转轴71两端通过轴承或套筒固定在车架上，套筒的轴线与飞轮7的中心轴线相同，飞轮可以在套筒内360°自由转动，但无法做周向偏移或者进行轴向窜动；飞轮系统提供的平衡力是指与行驶中的两轮车倾斜方向相反的力，车架12前侧是以两轮车行驶的方向为前。

本发明的另一个优选实施例中，飞轮驱动电机6的输出轴中心线与飞轮转轴71中心线不重合，飞轮驱动电机6的输出轴与轮转轴71之间设置减速器，实现变速传动。

行驶驱动系统被配置为能够驱动后轮10转动；如图1所示，行驶驱动系统包括行驶驱动电机8、挠性件传动9，挠性件传动9为带传动或链传动，挠性件传动9的输入端与行驶驱动电机8的输出轴连接，挠性件传动9的输出端与后轮10连接。

本发明的另一个优选实施例中，行驶驱动电机8被配置为可以双向驱动，使得自平衡两轮车可以根据需要前进或后退。

转向位姿检测模块被配置为检测前轮1的转向位姿信息；转向位姿检测模块的传感器设置在连杆机构上，实施检测当前的转向信息。

控制系统被配置为能够获取陀螺仪模块的检测信息、获取转向位姿检测模块的转向位姿信息和控制转向系统、飞轮系统、行驶驱动系统。

控制系统获取陀螺仪模块检测的两轮车的行驶信息，包括行驶速度、两轮车的倾角，根据行驶速度和目标行驶速度，控制行驶驱动电机8的输出转速，根据两轮车的倾角，利用PID算法精确地控制飞轮驱动电机6的转向、转速和加速度进而控制飞轮7的旋转产生的平衡力，以达到对两轮车的倾斜程度进行校正；

控制系统获取转向位姿检测模块的转向位姿信息，控制转向舵机的角位移，进而达到控制两轮车的转向。

转向舵机、行驶驱动电机8和飞轮驱动电机6可以在控制系统的控制下单独运转。

本发明的另一个优选实施例中，控制系统可以为能收发信号并进行算法输出的单片机系统。

后座11固定在车架12上，后座11配置有减震弹簧，后座11被设置为能够进行载人或者载货；本发明的一个实施例中，后座11设置为座椅。

本发明的另一个优选实施例中，还包括模式开关，自平衡两轮车的运行模式包括平衡模式和非平衡模式，模式开关被配置为选择自平衡两轮车的运行模式，平衡模式是指启用飞轮系统的运行模式，非平衡模式是指不启用飞轮系统的运行模式。

本发明的另一个优选实施例中，前轮1配有刹车盘，刹车盘可以配合手刹或者由控制系统进行操控。

本实施例还进一步公开了如下的元器件配置方案：

1、控制系统选型为STM32单片机，STM32单片机的技术参数如下：

内核：ARM32位Cortex-M3CPU，工作频率为72MHz；

存储器：片上集成8MBYTE的FLASH；

蓝牙：可支持外接蓝牙芯片，如HC-05；

可支持外设：USART、定时器、ADC和DAC；

可输出电压：3.3V和5V；

2、陀螺仪模块选型为MPU6050，其技术参数如下：

对速度和加速度分别采用三个16位的ADC进行采样，将其转化为数字输出；

速度的可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)；

加速度的测量范围为±2，±4，±8，±16；

3、转向舵机选型参数如下：

无负载速度：60°/0.12秒；

堵转扭矩：1.3千克/厘米(4.8V)。

通过本实施例的实践，上述配置方案具有成本低、性能稳定、综合性价比高的有点。

本实施例还公开了一种上述两轮车的控制方法，包括如下步骤：

控制模块5接收用户指令；

控制模块5获取陀螺仪模块的检测信息；

控制模块5根据陀螺仪模块的检测信息，计算飞轮7的目标转速，根据飞轮7的目标转速控制飞轮驱动电机6转动；

陀螺仪模块检测两轮车的车身信息，车身信息包括车身的角速度、角加速度；

控制模块5获取转向位姿检测模块的转向位姿信息；

控制模块5根据转向位姿信息，计算前轮1需要的目标转向，控制转向驱动电机4转动；

转向位姿检测模块的检测两轮车的转向位姿信息；

控制模块5获取两轮车的当前速度、计算当前的目标速度，根据目标速度控制行驶驱动电机8转动。

本技术方案中的两轮车可以是任何类型的两轮车，其中两轮指在行进过程中至多只有两轮与地面接触，其传动方式可以是前轮驱动也可以是后轮驱动，本实施例中的前轮1不具有自主动力，仅通过转向叉2改变方位来调整行进方向，前轮1外边缘包含有轮胎。

本技术方案中的±90°的范围是指转向范围，当前轮行进方向与车辆前进方向相同为0°，-90°指左转90°，+90°指右转90°，±90°是指由左转90°至右转90°之间的角度范围。

如图4所示为本实施例控制方法控制逻辑图，

STM32单片机收到用户指令，向舵机发送转向命令；

舵机接收转向命令后输出一定时间的扭矩，通过平行四杆机构使得前轮转向，达到用户目的。

平行四杆机构上设置传感器，以检测当前位姿，用作转角的闭环反馈控制，反馈通过信号输入进STM32单片机形成闭环控制，大大提高转向系统的稳定性。

MPU6050陀螺仪模块实时检测车辆的角度和角加速度，并将该信号发送给STM32单片机模块。

单片机模块收到MPU6050陀螺仪模块的信号后通过预设的PID算法进行计算，得出飞轮需要的转向和转速。

单片机将需要的PWM控制方案输出给飞轮驱动电机6，飞轮驱动电机6根据控制方案相应控制飞轮，飞轮旋转并提供一个与倾斜方向相反的平衡力，达到车辆回正目的。

MPU6050模块继续对下一个时刻的角度进行检测并输出，无间断地动态调整以保证平衡开关打开时车辆持续处在动态平衡状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，包括车架、前轮、后轮、转向系统、陀螺仪模块、飞轮系统、行驶驱动系统、控制模块、转向位姿检测模块，

所述前轮设置在所述车架前侧，所述后轮设置在所述车架的后侧；

所述转向系统设置在所述前轮与所述车架之间，所述转向系统被配置为能够使得所述前轮转向；

所述陀螺仪模块被配置为能够检测所述两轮车的行驶信息；

所述飞轮系统设置在所述车架中部，所述飞轮系统被配置为能够给所述两轮车提供平衡力；

所述行驶驱动系统被配置为能够驱动所述后轮转动；

所述转向位姿检测模块被配置为检测所述前轮的转向位姿信息；

所述控制系统被配置为能够获取所述陀螺仪模块的检测信息、获取所述转向位姿检测模块的所述转向位姿信息和控制所述转向系统、所述飞轮系统、所述行驶驱动系统。

2.如权利要求1所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述转向系统包括转向叉、连杆机构、转向齿轮、转向驱动电机，所述前轮可转动地设置于所述转向叉下端，所述转向叉可转动地设置于所述车架前端，所述转向齿轮固定安装于所述转向驱动电机的输出轴，所述转向齿轮与所述连杆机构的输入端连接，所述转向叉的上端与所述连杆机构的输出端连接。

3.如权利要求2所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述飞轮系统包括飞轮、飞轮转轴、飞轮驱动电机；所述飞轮固定设置于所述飞轮转轴中部，所述飞轮转轴两端可转动地设置于所述车架上，所述飞轮驱动电机的输出轴与所述飞轮转轴的一端传动连接。

4.如权利要求3所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述行驶驱动系统包括行驶驱动电机、挠性件传动，所述挠性件传动为带传动或链传动，所述挠性件传动的输入端与所述行驶驱动电机的输出轴连接，所述挠性件传动的输出端与所述后轮连接。

5.如权利要求4所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述转向叉的中心轴线与所述两轮车下端面的夹角大于等于40°且小于等于90°。

6.如权利要求5所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述转向叉下端为U形管状构件，所述转向系统还包括避震弹簧，所述避震弹簧套设在所述U形管状构件上，所述避震弹簧套的中心轴线与所述U形管状构件轴线重合。

7.如权利要求6所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述连杆机构为平行四连杆机构，所述四连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述第四连杆依次首尾转动连接，所述第一连杆与所述第三连杆平行，所述第二连杆与所述第四连杆平行，所述第一连杆与所述转向叉上端固定连接，所述第三连杆与所述转向齿轮啮合连接。

8.如权利要求7所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述两轮车包含所述飞轮的数量大于等于1，所述飞轮的质量被配置为集中在所述飞轮的外圆周上。

9.如权利要求8所述的自平衡自主行驶两轮车，其特征在于，所述陀螺仪模块被设置于所述车架的上部。

10.一种如权利要求5至9任一所述的自平衡自主行驶两轮车的平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述控制模块接收用户指令；

所述控制模块获取所述陀螺仪模块的检测信息；

所述控制模块根据所述陀螺仪模块的所述检测信息，计算所述飞轮的目标转速，根据所述飞轮的所述目标转速控制所述飞轮驱动电机转动；

所述陀螺仪模块检测所述两轮车的车身信息，所述车身信息包括所述车身的角速度、角加速度；

所述控制模块获取所述转向位姿检测模块的所述转向位姿信息；

所述控制模块根据所述转向位姿信息，计算所述前轮需要的目标转向，控制所述转向驱动电机转动；

所述转向位姿检测模块的检测所述两轮车的所述转向位姿信息；

所述控制模块获取所述两轮车的当前速度、计算当前的目标速度，根据所述目标速度控制所述行驶驱动电机转动。

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