CN113562109B - 一种独轮双轴自平衡车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种独轮双轴自平衡车，包括壳体、与壳体固接的平衡架，以及与壳体转动连接的单个轮体，轮体的两端分别设有与壳体转动连接的轮轴，壳体上安装有与至少一轮轴连接的驱动电机；平衡架上安装有两风扇，且两风扇分别位于轮轴轴线所在竖直平面的前、后两侧；还包括安装壳体上的平衡传感器，以及与平衡传感器电性连接的控制器，驱动电机和风扇均与所述控制器电性连接。本发明通过设置的独轮结构，减少了平衡车行进过程中对作物的扫覆碾压面积，同时可原地360°转向，具有极高的灵活性，并且采用电力驱动系统，实现低能耗维持机器平衡和行进的特点，提高了锂电池的使用时间和循环寿命，有利于独轮车移动机器人执行停车和对接操作。

Description

一种独轮双轴自平衡车
技术领域
本发明涉及平衡车控制领域，尤其涉及到一种独轮双轴自平衡车。
背景技术
农用智能装备技术以及农业信息技术的快速发展，为我国现代农业的进步提供了发展契机，农业领域智能机器人技术是农业智能装备化技术最重要组成之一。
当前的农业机器人移动平台价格及使用成本高，并且不能完全满足某些特殊环境下的作业要求。例如，地面轮式机械难以避免对作物的碾压，尤其是在转向操作中有大面积扫覆区域，对作物破坏严重，不适合作物精细化管理。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种独轮双轴自平衡车，解决了目前农业生产设备对作物破坏严重的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种独轮双轴自平衡车，包括壳体、与壳体固接的平衡架，以及与壳体转动连接的单个轮体，轮体的两端分别设有与壳体转动连接的轮轴，壳体上安装有与至少一轮轴连接的驱动电机；平衡架上安装有两风扇，且两风扇分别位于轮轴轴线所在竖直平面的前、后两侧；还包括安装壳体上的平衡传感器，以及与平衡传感器电性连接的控制器，驱动电机和风扇均与所述控制器电性连接。
作为优化，两风扇关于轮轴轴线所在的竖直平面对称。本优化方案的设置，使两风扇与轮轴之间的横向距离一致，提高了平衡车自身的平衡性，移动更加稳定。
作为优化，平衡架上固接有位于风扇扇叶外围的保护罩。本优化方案通过设置保护罩，为风扇运动提供保护作用。
作为优化，平衡架位于壳体的一端，驱动电机位于壳体远离平衡架的一端。本优化方案的设置，提高了壳体左右两侧的平衡性，进一步提高了平衡车移动时的稳定性。
作为优化，所述平衡架包括两竖杆，以及与两竖杆固接的横杆，风扇安装在所述横杆上，两竖杆分别固接于壳体的前侧面、后侧面。本优化方案的平衡架结构简单，将两竖杆分别设置在壳体前后两侧面的端部，既与驱动电机左右平衡，又使得平衡架自身前后平衡。
作为优化，壳体上设有给驱动电机、风扇、平衡传感器、控制器供电的电源。本优化方案将电源设置在壳体上，方便与各电气元件近距离连接，避免在田间布设电线。
本发明的有益效果为：通过设置的独轮结构，减少了平衡车行进过程中对作物的扫覆碾压面积，同时可原地360°转向，具有极高的灵活性，并且采用电力驱动系统，实现低能耗维持机器平衡和行进的特点，提高了锂电池的使用时间和循环寿命，有利于独轮车移动机器人执行停车和对接操作；车体结构简单轻巧，可靠性高，制造成本低，维护保养容易；可允许搭载多种、多个作业工具和传感器，在复杂崎岖农业地区作业有很高的实用性。
附图说明
图1是独轮双轴平衡机器人装置结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的左视图；
图5是本发明轮体与驱动电机的示意图；
图6是本发明风扇与平衡架的示意图；
图7是本发明控制系统示意图；
图中所示：
1、轮体，2、驱动电机，3、保护罩，4、风扇，5、风扇电机，6、电源开关，7、平衡架，8、控制器， 9、第一锂电池组，10、第二锂电池组，11、平衡传感器，12、充电板，13、壳体，14、轮轴。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
如图1所示一种独轮双轴自平衡车，包括壳体13、与壳体固接的平衡架7，以及与壳体转动连接的单个轮体1，轮体的两端分别设有与壳体转动连接的轮轴14，实现双轴结构。轮轴的轴线沿左右方向水平延伸，壳体的右侧面安装有与右侧轮轴连接的驱动电机2，驱动电机启动后，带动轮体转动，为方便控制，本实施例的驱动电机为直流伺服电机。轮体为橡胶轮，减小振动的同时，便于增大摩擦力，防止打滑，橡胶轮和直流伺服电机为独轮双轴自平衡车提供动力，从而使车体保持平衡与稳定，实现机器人的行走。
橡胶轮受控电机选择伺服电机，控制精度高，具备编码器，可实时反馈电机状态，避免了高负载情况下丢转的问题，且电机转速高，转动性能好，可承受大扭矩，在低速运行时转速较为平稳，震动噪音明显降低，发热量小，舒适性强。
平衡架上安装有两风扇4，且两风扇分别位于轮轴轴线所在竖直平面的前、后两侧，本实施例的两风扇关于轮轴轴线所在的竖直平面对称，风扇4和风扇电机5为独轮双轴自平衡车提供平衡的动力，从而使平衡车保持平衡与稳定。平衡架上固接有位于风扇扇叶外围的保护罩3，保护罩为风扇运动提供保护作用。风扇电机选择直流电机，其过载能力强，可抵抗一定电磁干扰；启动迅速，调速范围广且调速平滑，并且在低速状态下的转动力矩相对更大。
平衡架位于壳体的一端，驱动电机位于壳体远离平衡架的一端，具体的，平衡架包括两竖杆，以及与两竖杆固接的横杆，风扇安装在所述横杆上，两竖杆分别固接于壳体的前侧面、后侧面。
还包括安装壳体上的电源和控制系统，控制系统包括平衡传感器11，以及与平衡传感器电性连接的控制器8，壳体上设有充电板12，方便充电，驱动电机和风扇均与所述控制器电性连接，本实施例的控制器为ESP 32单片机，平衡传感器为MPU6050姿态传感器，电源包括第一锂电池组9和第二锂电池组10，用于给驱动电机、风扇、平衡传感器、单片机提供电能。电池、电机、控制板均匀分布，并且具有一定的刚度。
本实施例的工作原理为：首先，启动电源开关6，为单片机与传感器供电；然后，直流电机开始运转，橡胶轮伴随转动，同时风扇开始转动；最后，ESP 32单片机通过PID算法进行计算，将计算结果通过电机驱动作用至自平衡车，平衡车完成平衡运动。
独轮双轴平衡车是一个不平衡系统，为简化分析过程，将其解耦成俯仰和横滚两个方向上的平衡，每个方向上的平衡都可以看作一阶的倒立摆模型。
本设计以ESP32单片机为核心，利用其内带IIC接口及IO口采集姿态传感器数据，当检测到机器人姿态与期望姿态存在误差，通过PID算法计算输出量，利用IO口输出PWM信号，控制驱动系统驱动由驱动电机、风扇和轮体构成的执行机构，使驱动电机带动轮体转动，最终作用至机械本体以保持平衡或抵消姿态误差。
同时利用ESP32单片机开发板上的BLE传输功能实现与移动端APP之间的通信，建立数据传输，利用移动端APP作为人机交互界面进行数据显示及远程遥控，由此可更方便的实现数据的读取与操作以及运动控制。
具体的，作业时，MPU6050传感器通过其内部集成的数字姿态处理器（DMP）进行数据融合滤波处理，将陀螺仪传感器测量的角度、加速度等信息输送至单片机。ESP 32单片机通过PID算法进行计算，将计算结果通过电机驱动作用至自平衡机器人，并通过低功耗蓝牙（BLE）进行数据传输、运动控制以及机械重心计算，通过直流电机驱动风扇使独轮双轴自平衡车保持平衡。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种独轮双轴自平衡车，其特征在于：包括壳体（13）、与壳体固接的平衡架（7），以及与壳体转动连接的单个轮体（1），轮体的两端分别设有与壳体转动连接的轮轴（14），壳体上安装有与至少一轮轴连接的驱动电机（2），平衡架位于壳体的一端，驱动电机位于壳体远离平衡架的一端；
平衡架上安装有两风扇（4），且两风扇分别位于轮轴轴线所在竖直平面的前、后两侧；
还包括安装壳体上的平衡传感器（11），以及与平衡传感器电性连接的控制器（8），驱动电机和风扇均与所述控制器电性连接，平衡传感器为MPU6050姿态传感器；
作业时，MPU6050姿态传感器通过其内部集成的数字姿态处理器进行数据融合滤波处理，将陀螺仪传感器测量的角度、加速度信息输送至单片机，单片机利用其内带IIC接口及IO口采集姿态传感器数据，当检测到机器人姿态与期望姿态存在误差，通过PID算法计算输出量，利用IO口输出PWM信号，控制驱动系统驱动由驱动电机、风扇和轮体构成的执行机构，使驱动电机带动轮体转动，最终作用至机械本体以保持平衡或抵消姿态误差；
同时利用单片机开发板上的BLE传输功能实现与移动端APP之间的通信，建立数据传输，利用移动端APP作为人机交互界面进行数据显示及远程遥控；
为简化分析过程，将独轮双轴自平衡车解耦成俯仰和横滚两个方向上的平衡，每个方向上的平衡都看作一阶的倒立摆模型。
2.根据权利要求1所述的一种独轮双轴自平衡车，其特征在于：两风扇关于轮轴轴线所在的竖直平面对称。
3.根据权利要求2所述的一种独轮双轴自平衡车，其特征在于：平衡架上固接有位于风扇扇叶外围的保护罩（3）。
4.根据权利要求1所述的一种独轮双轴自平衡车，其特征在于：所述平衡架包括两竖杆，以及与两竖杆固接的横杆，风扇安装在所述横杆上，两竖杆分别固接于壳体的前侧面、后侧面。
5.根据权利要求1所述的一种独轮双轴自平衡车，其特征在于：壳体上设有给驱动电机、风扇、平衡传感器、控制器供电的电源。
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