CN116627188A - 一种类自行车车辆的自动控制行驶方法 - Google Patents

Abstract

本发明为提供一种新的个人交通工具，论述了影响类自行车车辆行驶的相关因素变量，通过对可测算的主被动因素之间的关联变化分析，提供了一种可使此类车辆结合方向要求自动判断调整平衡及完成有效运行的方案。

Description

一种类自行车车辆的自动控制行驶方法

技术领域

本发明涉及类自行车车辆（自行车、电动自行车及摩托车等此类两轮车辆，以下简称自行车）的自动运行控制管理，尤其是根据驾驶者的方向要求及车辆相关状态判断自行车在行驶中的相对平衡性，并通过调控方法使之保持在有效运行状态，完成驾驶者的行驶需求。

背景技术

目前， 常用的个人出行交通工具往往存在一些问题。 自行车需要驾驶者自己感知控制平衡， 在使用时为了应对其低速及驶停时产生的左右倾倒问题，通常需要借助使用者的肢体(通常为腿)来控制车体与地面之间的相互作用力， 这使得驾乘者无法处于封闭空间内， 因而乘用此类车辆受环境影响较大， 在恶劣天气（严寒酷暑、风吹雨打等）情况下非常不利。较小型三轮或四轮车辆由于左右方向轮距较窄，不易应对侧面颠簸及转弯时离心力偏大的情况，因而其性能和空间利用受限。汽车则会占用很多资源， 其占地空间大、使用能耗高、 生产成本高， 造成拥堵、停车难、出行成本高等一系列问题； 有统计显示，大多数情况下路上的汽车里只有一个人， 三人及以上同时乘用一辆车的情况很少， 这也是资源被浪费的显著体现。 如果有有效方法来自动检测及控制自行车在使用中的平衡状态，那么也就可以加装代替驾乘者肢体功能的装置在必要时进行应对动作，这样驾乘者就可以处于封闭腔室内，此类车辆的使用就可以适配多种环境状况。封闭腔室也能使此类车辆获得气动外形上更多的设计自由度，提高行驶效率。 总之， 对该类车辆自动控制行驶的实现可使其在舒适性、便捷性、 经济节能、 空间利用等方面取得相对优势，发挥出更大的应用价值。

发明内容

内容概述

为了提供对自行车运行状态的自动判断及控制其有效运行的方法，本发明试图通过分析影响自行车运行中的相关因素变量，提供出可自动判断行驶中自行车的相对平衡状态及控制其按要求运行的方法。

分析方法及相关内容的引述

自行车行驶时， 承载其行驶的平面（通常为地面， 以下简称为地面）与其两个车轮有两个接触点（着地点），本文将这两个车轮着地点的连线视为旋转轴（以下简称着地轴），将自行车系统的运行与车体围绕着着地轴的旋转运动来关联分析。如图1中甲图所示，自行车车轮与地面的两个接触点为A和B， 为了便于车辆状态的描述，将直线BA向量化， 方向从B到A， 若自行车行驶中，其质心的前进方向与向量BA方向的角度小于90度， 则规定A为前方， B为后方。 本文以典型的自行车结构为例进行分析，如图1甲图中，自行车前轮为转向轮，后轮无法主动旋转； 前轮的轴心为C点， 后轮的为D点， C与D间距不变， CJ为自行车前轮的旋转轴。 前轮所在的平面（以下简称前轮面）与地面的交线为AR， 后轮面与地面的交线为BK； 本文中自行车运行的条件为车轮在地面无滑滚动， 即A、B点不会在垂直于AR、BK的方向移动。 本文将自行车主体所在的平面（图1甲图面JCD）称为车体面， 车体面绕着地轴的旋转速度称为车体角速度（用ω表示），ω的变化率（导数）则为车体角加速度（用ω’表示）。在本文中以从车体后方的视角描述车体运行状态，将车体逆时针旋转时的ω的用正值（+）表示， 反之顺时针时用负值（-）表示； ω增大时的ω’用正值（+）表示， 反之以负值（-）表示。

转向角度及目的转向角度的规定

如图1乙图所示，在坐标轴上用OT与OY之间的角度∠TOY（用α表示）表示自行车前轮面与车体面的夹角。 如当OT与OY重合， 即α为0时， 前轮面与车体面重合， 此状态下，在图1甲图中， AR与BK及AB呈一条直线， 在平整地面上自行车会保持直行。 当自行车在向左转弯， 即OT位于OY左边时，α的角度用正值（＋）表示， 反之在右边时以负值（-）记。 用OT’表示驾驶者给出的目标行进方向，∠YOT’的大小（用α₀表示）即为目的转向角度， 其值的表示方法与α相同。

车轮面与地面的交线和车轮、车轮运动轨迹的关系

如图1甲图所示， 若前轮面与地面的交线AR与前轮有另外一个交点A₁, 则A₁也既在车轮上又在地面上， 这样此车轮与地面同时有两个着地点A和A₁, 此无法成立， 故可证AR与车轮有且只有一个交点， 即AR与车轮相切。 设自行车在行驶中， 影响两个着地点A和B运动曲率的条件不变， 即前轮面与车体面的角度α不变、 车体面与地面所成角度不变、地面平坦无变形， 则此状态下着地点的轨迹为直线或圆。 图1丙图为在上述条件下A、B轨迹为圆的时候， 其轨迹圆弧为AA’和BB’, AA’的圆心为O₁。 连接AO₁，因在此状态下相关几何关系保持不变，即AO₁与AR的角度会保持不变。 若AR与弧线AA’有另一交点A’， 连接O₁A’，则∠RAO₁=∠RA’O₁。 因∠RAO₁=∠RA’O₁+∠A’O₁A, ∠A’O₁A＞0， 故∠RAO₁=∠RA’O₁不成立，则可证AR与AA’有且只有一个交点， 即A点轨迹不为直线时， AR与A点的运动轨迹时时相切。 连接O₁B， 因AB、A O₁及∠O₁AB大小不变， 故O₁B大小不变，即O₁也为圆弧BB’的圆心。

α变化带来的着地轴AB受力的变化

在图1丙图中， 设车体面与地面的交线BK和前轮面与地面的交线AR交于K点。 在自行车运行时， BK与BA不经常重合， 但它们之间的角度及影响相对非常小，在这里可以忽略不记，所以将AB和KB视为共线， 这样AB⊥O₁B, ∠AO₁B=∠RAB， AO₁和BO₁即为A、B两点的运动曲率半径（用R_A和R_B表示）。 在自行车运行中，∠RAB与α不按1：1变化， 但比例系数为正。我们设∠RAB =λα（λ的大小与α、车体结构和车体与地面的夹角有关，通常在0.6到1.0之间）。 用d表示线段AB的长度， 此长度在自行车运行时会发生变化，但相对很小可忽略不计。 这样R_A=d/sin(λα)， R_B=d/tan(λα)。 设A、B两点在地面的移动速率分别为V_A和V_B， 根据向心加速度公式a=V²/R， A、B两点的向心加速度大小分别为sin（λα）·V_A ²/d、tan（λα）·V_B ²/d。 设在一微小时间dt内的α变化为dα， 则A、B两点向心加速度的变化分别为sin（λdα）·V_A ²/d和tan（λdα）·V_B ²/d, 它们在垂直于AB方向上的变化都是tan（λdα）·V_B ²/d。 这说明，通过改变α的大小可改变着地轴AB的向心加速度，使地面对着地轴的向心力发生改变，此改变效应除了受α的变化率影响外，还与车速的平方成正比。

α变化与车体角加速度的关系

如图1丁图所示， 设O为车辆质心，向量OG为自行车受到的重力， 向量OL为当AB沿地面在左右方向上有加速度时车体的相对惯性力， 向量ON为自行车受到的其他外力（如风力）的合力。 设OF为OG、OL和ON的矢量和在垂直于AB平面上的投影。 在图1戊图中， 过O向着地轴AB作OP垂直AB于P, 面HAB代表地面，HP⊥AB， OM⊥OP， MF∥OP，用OP表示车体在垂直于AB方向上的方位， 用矢量OM表示OF在垂直于OP方向上的分量。 不考虑其他因素的变化， 以α为正且增大时的情况为例， 此时AB或P点受到的沿HP方向向左的力在增加。 在图1戊图中， 用向量PE来表示P点受力的变化量， 向量OL’表示车体相应惯性力的变化， 可得PE与OL’反向相等。 由于矢量PE的作用点不在车体质心， 也没有与其对应的力偶， 所以此力会使车体OP产生在旋转和平移两方面上的加速度变化， 其使车体平移方面的变化量（图1戊图OQ）小于其本身或OL’。 用OS表示OL’和OQ的差值， OF’和OM’表示OF和OM变化后的结果。 这样， 通过α的变化，使作用于车体垂直方向上的力发生相对改变，车体的角加速度因而随之改变，进而可实现对车体角速度的控制。

α变化时的附带影响

如图1甲图所示，AC与BD为自行车车体与地面之间产生相互作用力的物理路径。在图1己图中， ∠DPC为AC和BD在垂直于AB方向（以下简称左右方向）上产生的夹角。 在通常自行车的运行中， 当施力使α变化时， ∠DBC也会变化， 使得C、D两点在左右方向上与A、B产生相互作用力。 由于此时A、B处于加速度变化的状态， 导致C、D两点受到的力会有所不同， 这样会使O点产生与P点同方向的加速运动效果。 例如， 当α为正且受力增大时， AB向左的加速度在增大， C点受到向左的力大于D点受到向右的力， 在整体上使得O点受到向左的力， 增加了向左的加速度。 此效应减小了α变化导致的车体角加速度的变化， 有助于车体方向（图1戊图OP）与合力（图1戊图OF’）的重合， 除在车速很低情况下， 有利于对车体角速度的控制。 其他条件相同情况下， 此效应大小与车体结构有关， 如图1甲图中， 转向轮旋转轴JC与CD的角度越小， 此效应越大。

陀螺效应的影响

如图2甲图所示，有一转轴为MN的陀螺在支架上旋转， P为陀螺旋转时外沿经过的一点， O为陀螺的中心。 用一板条让板面与OP垂直且使板条与过P点的陀螺质点保持相同的运动速度和方向。 这样， 当陀螺面或MN轴保持空间角度不变时， 板条呈直线运动； 当陀螺转轴MN绕OP旋转时， 板条的移动方向也在时时改变。类似于图2乙图中， 匀速直线运动的物体（A’B’段）不受外力， 当有向心力F时（B’C’段）会产生运动曲率而绕O’旋转， 向心力解除后（C’点以后）物体因惯性会继续进行匀速直线运动；改变旋转中的陀螺面（陀螺轴）的空间角度等同于在改变运动质点的轨迹曲率。这表明， 陀螺旋转时， 惯性作用使其保持陀螺面在空间的角度不变； 在外力作用下， 陀螺面会发生旋转， 此时陀螺也会对施力物体产生反作用力。 自行车在行驶时， 其两个车轮或安装的其他旋转机构（如电机）会产生类似陀螺的作用，即对车体的旋转具有反向的作用力。此效应有助于减小车体绕着地轴的转动速度，延长反应时间等。 但通常车轮等旋转机构占车体的质量比例很小， 在车速较低时作用更有限。 然而我们也可以选择主动增加此类机构， 即加装转轴垂直于着地轴方向的类陀螺装置， 并使之在需要时保持较高速运转， 这样可以增加车体的稳定性， 降低对车体角速度的控制难度。

结合方向要求控制车体角速度

通过以上分析可得， 在有一定车速的情况下， 通过改变α可主动改变车体的受力情况。 如果适时调整α的变化率， 使其能应对通常条件下的不可控因素（侧风、 地面颠簸等）， 则可调控车体角加速度ω’， 进而对车体角速度ω进行控制。 这样， 结合驾驶者对当前行驶方向的要求，通过调节α来调节车体绕着地轴的旋转速度，能实现对自行车的运行要求。如图2丙图所示， X（t）轴表示时间， 在Y轴表示ω、ω’及α随时间的变动情况。 设当前目的转向角度（α₀）不变， 则此时对车体角速度的理想要求为ω恒为零， 相应的控制目标是调整ω不断归零。 设从坐标轴原点O开始， 车体在侧风影响下开始逆时针旋转，ω和ω’在一同增大。在A点， 控制系统开始根据ω和ω’的变化，结合当前车速作出反馈， 即开始增加α的角度。 B点和C点为ω’和ω的拐点。 因一直处于动态调整中， 无法也无需完全达到目标值， 所以至E点， 车体角速度接近目标值时，此阶段调控即可结束。 调控时， α的变动速率要根据情况而定，若A点以后ω和ω’增长较快， 则α的角速度需加大， 以加快B、C拐点的到来， 相反情况下则要减小α的角速度。 C点以后， 当车体角速度接近目标值时（参考D点）， 要及时使ω’减小， 这样容易使ω在目标值处收敛。 若A点之后的一段设定时间内， ω’和ω的拐点没有出现， 或ω波动较大难以接近目标值， 则为调控失效， 此时需切换至其他控制模式（例如下放支撑腿）。

平均行驶方向的规定

在控制车体角速度时， α需不断变化， 它往往处于动态循环中，不和驾驶者的指示方向角度α₀一致。 我们将α在一段历史时期内的平均值或其一个变化周期内的平均值（用ā表示）作为车辆的行驶方向角度，而不以其当前值作为车辆的行驶方向角度。若α₀和ā一致（因处于动态调整中，α₀和ā十分接近则也可看作一致）， 则总体上的行驶方向和目的方向一致， 即可实现行驶要求。

调整车辆行驶曲率

当ā与α₀出现偏差时， 若α₀大于ā时， 则可控制车体角加速度ω’为正，进而调控车体角速度ω为正，并使ω处于一定设定范围内，也即让车体（图1戊图OP）按一定速度逆时针旋转。 在此过程中， 为控制ω’， 需调整受力（图1戊图OM）在一定范围内， 这使得车体所受外力（图1戊图OF）的方位变化也和车体一样， 在总体上呈逆时针旋转。 例如， 若控制车体逆时针匀速旋转，则控制ω’为0， 外力方向OF和车体OP重合且同步旋转。 外力方向OF的方向调整是向量OS变化的结果，OS变化是α变化的结果。 这样， 随着控制车体的逆时针旋转，α在逐渐增大， 待ā与α₀一致时， 此阶段调控完成。同理， 若α₀小于ā时， 则控制车体顺时针旋转，直至ā与α₀一致为止。 由车速、ā与α₀的差值及车辆颠簸状态设定ω及ω’的理想目标值， 由于未知因素（风力变化、 载重分布等）的存在， 致使调控结果会在围绕理想值的一定范围内变化， 因此可根据具体车辆情况设定可接受的变化区间作为目标值设定范围。ā与α₀的差值，ω及ω’与理想设定值的差值可作为车辆运行状态（平衡性）的判别指标，ω及ω’超出目标值设定范围即为控制失效。 实际控制中， ω’及ω变化很快， 除非α₀急剧变化或不可控因素偏大，在一般情况下ā和α₀接近速度会很快， 能较快地完成车辆行驶曲率（驾驶方向）的按要求调整。

车体角速度及α等相关信息的测量

我们可以在车体上安装陀螺仪（回转仪），利用其空间指示方向不变的特点，通过测量车体相对于着地轴的旋转（图1戊图OP相对于AB的旋转）变化来得到车体角速度并可计算车体角加速度。因随着α的变化， 着地轴和车体面的相对方位也会发生变化， 这导致的测量误差可根据具体情况进行扣除。 根据车体面在自身方向的角度变化（图1戊图OP或AB在面ABO方向上的角度变化）可获取车辆的颠簸状态。 车体在其他方向上的角度变化及陀螺仪在车体安装位置等因素也影响测量结果，这需要进行相关校正计算。α的测量和调控可由伺服机构进行，α₀输入计算机的方式及车速的测量有多种选择，不再赘述。

单轮或双轮调控方案

从以上分析可以得知， 此类车辆也可以采用后轮调控或前后双轮共同调控， 只要车轮面的旋转能改变车轮着地点的运动曲率即可。如图1甲图中， 也可以选择使用后轮绕JD旋转的方案及两轮分别绕JC、 JD旋转的共同运行方案。 使用双轮共同调节会很大地提高安全性， 因为两个独立系统同时出故障的概率极低， 在一个系统出问题后， 另一系统维持调控至车辆安全停驶即可， 这样可极大降低事故的发生率。

以控制车速进行辅助调控的方式

在车辆行驶曲率不为零时， 改变车辆速度大小也能调控车体角加速度，但车速的改变关乎行驶要求及安全性等方面，应由驾驶者掌控，机器通常不宜主动介入。然而在某些情况下， 比如驾驶者想快速改变行驶曲率（“急转弯”）， 其表现为ā与α₀的差值急剧扩大，若按正常调控， ā达到α₀的耗时会偏长， 无法及时完成驾驶者的转向要求， 此情况下可考虑降低车速以辅助调控。 当然， 此调控方式也可作为可选项让使用者自己设置。

附图说明

图1为涉及类自行车车辆运行的主要相关因素解析图；

图2为影响类自行车车辆运行的陀螺效应解析图及控制类自行车车辆运行的相关变量分析图。

具体实施方案

由陀螺仪测量自行车车体绕着地轴的旋转速度（用ω表示），并由此计算角加速度（用ω’表示）。利用伺服机构测量并控制自行车车轮绕旋转轴的旋转角度（用α表示），通过控制α的变化控制ω’及ω的变化。根据驾驶者的要求行进方向，通过与当前行驶方向的比较及车速等相关信息，设定ω及ω’的目标值， 并通过调控ω使当前方向与要求方向一致。

Claims (9)

1.一种类自行车车辆行驶状态的检测与控制方法， 可以结合驾驶者的行进方向要求，判断及调整自行车的运行状态， 其特征是，根据要求方向和车辆相关状态设定车体在空间的旋转速度， 通过控制自行车前后轮的旋转来调整车体旋转速度，由受控的车体旋转实现对行驶方向的调整。

2. 根据权利要求书1所述的控制自行车前后轮的旋转， 其特征是，可以使用从前后轮中选择其一进行绕轴（图1甲图JC/JD）旋转控制的方案， 也可以使用控制前后轮共同旋转的方案。

3. 根据权利要求书1所述的行驶方向， 其特征是， 不以自行车车轮绕旋转轴（图1甲图JC、 JD）与车体（图1甲图JCD）形成的即时角度值来计算， 而是以此角度值在一定历史时期内或一个变动周期内的平均值来计算得到。

4. 根据权利要求书1所述的设定车体在空间的旋转速度， 其特征是，根据行驶方向与要求方向的差值结合车速及车辆颠簸信息而设定， 其可行值处于一定范围内，理想设定值居于其中。

5. 根据权利要求书1所述的车体在空间的旋转速度， 其特征是，通过陀螺仪来测量车体（图1甲图JCD）绕着地轴（图1甲图AB）的旋转变化来实现。

6. 根据权利要求书1所述的调整车体旋转速度， 其特征是， 可以加装旋转轴（图2甲图MN）垂直于着地轴（图1甲图AB）方向的类陀螺旋转机构， 在需要时使之保持旋转， 来降低此项调整任务的难度。

7. 根据权利要求书1所述的判别自行车的运行状态， 其特征是，以车体在空间的旋转速度与理想设定值的差值和行驶方向与要求方向的差值来决定。

8. 根据权利要求书1所述的对行驶方向的调整， 其特征是， 可在行驶方向与要求方向差值急剧扩大时， 以降低车辆行驶速度作为可选的辅助手段。

9. 根据权利要求书 4 所述的车辆颠簸信息， 其特征是， 可以通过陀螺仪测量车体在自身所在平面的角度变化（图1戊图OP在面OAB的角度变化）来得到。