CN1784334B - 单轨交通工具及其控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

单轨交通工具及其控制方法和控制装置，涉及通过一种控制算法来控制单轨交通工具的技术，特别涉及通过自动转弯控制使单轨交通工具达到动态平衡的技术。本发明提供一种单轨交通工具，包括车身和计算机控制系统，所述计算机控制系统通过分析传感器的信号，控制转弯电机来保持车身的动态平衡。本发明的有益效果是，具有单轨交通工具的所有优点：燃料损耗降低，温室气体排放降低，灵敏的操作性，减少土地资源的浪费，比汽车便宜。同时它还具有很好的稳定性和像汽车一样简便的操作。如果在大城市和人口众多的第三世界国家广泛使用这种交通工具，将会在环境、土地资源和燃料使用方面产生积极的影响。

Description

单轨交通工具及其控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及通过一种控制算法来控制单轨交通工具的技术，特别涉及通过自动转弯控制使单轨交通工具达到动态平衡的技术。

背景技术

一般而言，和双轨交通工具(如汽车)相比，单轨交通工具(如摩托、单脚滑行车、电动自行车和自行车)在控制性(如可操作性、加速性和制动)和能源使用效率方面有明显优势。一辆汽车的有效载荷大概为本身重量的1/20，而一辆典型的单轨交通工具(如摩托)的 有效载荷大概为本身重量的1/2，其燃料使用效率为汽车的10倍。虽然汽车在日常生活中应用相当普遍，但是它也许是能源使用效率最低的人造交通工具。如用一个重量为3000磅的汽车载一个体重为150磅的人，是对宝贵能源的巨大浪费。由于有巨大的正面面积和四个轮子，汽车在高速行驶时会产生巨大的空气阻力和轮胎摩擦力，这样也会消耗大量的动力。同时，汽车比单轨交通工具宽得多的车身也需要更宽的道路来适应。结果，为了增加汽车的流量，又将需要消耗大量的土地资源来建设一个庞大的道路系统。燃料和时间的浪费，环境的污染，交通的拥挤在大城市将会频繁的发生。越来越多的土地被用于修建停车场以停放车辆。

这些原因导自大量土地和能源消耗。同时，双轨交通工具过大的重量也非常危险，这意味着它们不得不需要更大制动力来停止它们。因此双轨交通工具也会发生更严重的交通事故。能源、环境和土地问题在人口密集的发展中国家非常突出。这就限制了汽车在发展中国家的广泛应用。

相比于汽车，单轨交通工具较轻的重量使得其在加速和高速运动中只需要更少的动力。在高速行驶时，单轨交通工具只会遇到更小的空气阻力，这样会减少大量的燃料损耗。这得归功于单轨交通工具的车身远小于汽车庞大的车身。而单轨交通工具使用两个轮子，所以在高速行驶时轮胎与地面摩擦较小，也可以减少大量的燃料损耗。同时单轨交通工具还能减少土地的占用和温室气体的排放。但是，由于单轨交通工具自身的不稳定性，对于没有经验的驾驶人员，也许会产生更大的危险。结果，单轨交通工具在能源和环境方面的贡献没有得到实现。

针对上面提到的问题，许多轻便交通工具被设计成两个主轮(如摩托)加上两个辅助轮或者直接设计成三轮。对于第一种设计方案，当辅助轮不被使用时，驾驶者需要更高的技巧来保持平衡。而第二种设计方案则是一种折衷方案，它介于汽车和摩托之间，在高速行驶时通过主动倾斜控制来保持平衡。例如，美国专利5,765,846(1998)Braun，(戴姆勒-奔驰)美国专利5,762,351(1998)，Soohoo和美国专利4,903,857(1990)，Klopfenstein公开的技术。欧洲和日本在这方面也有专利：560,670(欧洲专利局，Putin，1995)和日本专利5,039,073，Matsuura(本田汽车)。这些类型的交通工具都像汽车一样自动保持平衡。但是这类交通工具重量比摩托大，同时由于加入了液压主动倾斜控制，造价也比摩托高，而且多出的轮胎也会增加地面的摩擦。如一种使用自动平衡系统的名为Segway的交通工具就采用左右两个辅助轮，以便在行驶的时候保持自身的动态平衡。(美国专利5,971,091，Kamen et al)。它的主要局限在于它的速度较慢且每次充电后行驶距离较短。同时由于转弯时的离心力过大，所以Segway不能以较快速度通过弯道。这也是它的最大速度不能大于20英里的原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作简便、低燃料损耗的单轨交通工具，以及控制该单轨交通工具的方法和装置。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种单轨交通工具，包括车身和计算机控制系统，所述计算机控制系统通过分析传感器的信号，控制转弯电机来保持车身的动态平衡。

所述传感器中，包括带有回旋螺陀仪的传感器、带有加速计的传感器或者带有磁力计的传感器。所述计算机控制系统通过最优控制算法来保持车的平衡。本发明所述的单轨交通工具还包括一个与平衡控制系统集成的计算机控制刹车子系统，所述计算机控制刹车子系统在刹车的时候保持车的平衡。所述计算机控制刹车子系统在最优力计算的基础上，直接控制分别安装在前后轮的刹车驱动装置。所述的单轨交通工具还包括一个计算机控制转弯系统，所述计算机控制转弯系统通过方向盘接收驾驶员的意图，并结合传感器的信号，以达到保持平衡和按照驾驶员意图行驶的目的。所述的单轨交通工具还包括由计算机控制转弯系统控制的电机，电机中的传感器探测方向盘的位置并将信号输入给转弯系统，并接收转弯系统发出的转弯信号。所述的单轨交通工具还包括一个方向舵和一个副翼，以辅助计算机控制系统保持车的平衡。所述计算机控制系统通过分析传感器的信号来控制转弯和倾斜的角度。本发明的单轨交通工具还包括安装在车身两边的辅助轮，所述计算机控制系统接收传感器传出的路面倾斜的信号，分析并控制辅助轮来保持车身的平衡。

本发明还提供一种控制单轨交通工具的方法，包括：根据一个或多个传感器发出的信号，通过控制转弯电机保持车的动态平衡；根据一个或多个传感器发出的信号控制转弯和倾斜角度。还包括根据最优力道计算控制刹车驱动器。更进一步的，还包括通过测量单轨交通工具的实时状态来控制辅助轮的起落。还包括：通过检测路面倾斜状况来调整辅助轮角度。

本发明还提供一种单轨交通工具控制装置，包括：动态平衡控制装置，所述动态平衡控制装置根据传感器发出的信号，通过控制转弯电机保持车的动态平衡；转弯和倾斜角度控制装置，所述转弯和倾斜角度控制装置根据传感器发出的信号控制转弯和倾斜角度。所述的单轨交通工具控制装置还包括刹车驱动器控制装置，所述刹车驱动器控制装置根据最优力道计算控制刹车驱动器。所述的单轨交通工具控制装置还包括速度检测控制装置，所述速度检测控制装置通过测量单轨交通工具的速度来降低辅助轮。还包括路面检测控制装置，所述路面检测控制装置通过检测路面倾斜状况来调整辅助轮角。

本发明的有益效果是，具有单轨交通工具的所有优点：燃料损耗降低，温室气体排放降低，灵敏的操作性，减少土地资源的浪费，比汽车便宜。同时它还具有很好的稳定性和像汽车一样简便的操作。如果再大城市和人口众多的第三世界国家广泛使用这种交通工具，将会在环境、土地资源和燃料使用方面产生积极的影响。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

下面是对该发明所绘图纸的非限制，非完全描述。图中数字所指部分除特别指明外均指同一部件。

图1.智能自平衡单轨交通工具的侧面模型图。

图2.计算机控制系统设计图。

图3.使用离散时间、非线性的最优闭环控制的控制系统的控制图解。

图4a.计算机控制系统的流程图。

图4b.用户控制的方向盘/方向把手的模型图。

图5.方向部件的模型图。

图6.集成的辅助轮的模型图。

图7.辅助轮倾斜情况下的模型图。

图8.辅助轮另一个用法的模型图。

图9.刹车子系统的模型图。

图中数字所指含义：1为微处理器；2为转弯电机；3为电子平板显示仪表板；4为方向盘；5为右辅助轮；6为空气动力驱动装置；7为前刹车驱动器；8为后刹车驱动器；9为右辅助轮驱动装置；10为行星转弯齿轮；11为车身；12为前轮；13为后轮；14为转弯轴；15为集成滚动、仰俯、横摆传感器；16为前轮速度传感器；17为后轮速度传感器；18为方向电机编码器；20为方向盘编码器；21为方向盘电机；22为转弯角编码器；23为左辅助轮；24为左辅助轮驱动装置；25为右辅助轮传感器；26为左辅助轮传感器；27为右辅助轮支架；28为左辅助轮支架；29为车身倾斜角；30为扭矩传感器；31为微控制刹车子系统；32为临近传感器；40为方向盘传动齿轮；44为空气速度传感器。

具体实施方式

这里将描述各种不同的自动平衡单轨交通工具。在下面的描述中，将对一些特别的细节进行描述，以便更好理解发明的具体实施例。对相关技术熟悉的人来说，这项发明如果没有其中一两个细节或者用其他方法、组件、算法等也会实现。在其他的实施例中，我们将略过大家熟知的结构、材料或操作等的具体细节，以免对发明的描述产生影响。

以下的描述中一些具体引用都是指某一个或几个具体实施例中的特征、结构或属性。所以当出现“在一个具体实施例中”时，并不是都指同样一个实施例。也就是说，某些特别的特征、结构或属性可以应用于不同的实施例中。

下面的示意图都是针对功能进行描述的，并没有按照一定的比例或精确的形状来绘制。也就是说，实际应用中的设备也许在形状、大小、配置或其他方面，会针对各种不同的情况而发生变化。

以下开始描述自动平衡的单轨交通工具。在一个具体的实施例中，单轨交通工具包括前后轮和一个计算机控制的转弯电机。计算机控制转弯系统接收方向盘/方向把手的信号，再加上传感器子系统的信号，然后针对驾驶员选择的路线使用最优控制技术来保持车的平衡。通过集成一个管理刹车、传动、引擎和空气动力的计算机控制系统，单轨交通工具在安全和性能方面会更出色。这个系统可以提高动力使用效率和可操作性，同时驾驶员也不用再刻意保持车的平衡。系统能够提供给驾驶员一个简单的，类似于汽车驾驶的体验。这种单轨交通工具可以使用气油，电力或者人力作为动力，计算机控制系统和驱动装置使用电池作为供给电源。

在具体实施例中，计算机控制系统将自动计算转弯的角度和倾斜角度来达到动态的平衡，这就像一个熟练的摩托驾驶员所做的那样。使用这种单轨交通工具，驾驶员可以像驾驶汽车那样：方向盘控制方向，脚踏板控制加速和刹车，而由计算机来控制车的平衡。由计算机控制车的平衡比由有经验的驾驶员来控制效果更好，这是因为计算机在判断车的平衡状态和应对任何变化时会比人更精确、更迅速、更有力。同时，计算机控制平衡会比人控制更稳定，相对于传统的单轨交通工具(如摩托)来说，这种设计安全性更高。

传统的机械设计降低了单轨交通工具的性能，是由于驾驶员操作限制造成的：驾驶员对车本身的状态，驾驶员的反应时间以及转弯的能力都会造成影响。新的机械设计将不再受驾驶员本身的影响，能明显提高车的性能。例如，传统的摩托前轮比后轮窄，这样可以降低转弯把手的惯性。但是如果这样设计，前轮的牵引力也比后轮小。所以这只是一个在转弯控制和驾驶安全之间的折衷方案。在刹车的时候，前轮产生的摩擦力是后轮的三倍。由于前轮的表面很窄但却需要更大的摩擦力，所以前轮很容易打滑而造成事故。

另一方面，如果集成一个计算机控制系统配备一个更加有力的驱动装置，前轮宽度就可以和后轮一样，甚至更宽，这样在刹车时会更加安全。通过控制刹车系统、辅助轮、传动系统，集成计算机控制系统会全面提升单轨交通工具在安全和易用方面的性能。这样普通的驾驶员也能够一样灵活和节省能源，同时也能像汽车一样稳定和容易驾驶。

本发明的系统能使驾驶员驾驶更加舒适。因为驾驶员会坐在车上，所以有效的力量(引力加上离心力)都作用在驾驶座位上，不会再有其它力作用在驾驶员身上，就像驾驶普通摩托一样。而在驾驶汽车时，离心力使得驾驶员和乘客会随着汽车转弯而东倒西歪。在单轨交通工具的事故中，车和人所受的冲击力会比汽车小得多。假设我们有专门为单轨交通工具行驶的更窄一点的道路，那我们的交通安全将会得到很大提高。

在低速行驶或者需要停车的时候，集成的计算机控制系统会自动进行配置，如降下两个辅助轮以保持车的平衡。这个系统能使驾驶员像开汽车一样，不用再将注意力集中在车的平衡上。

计算机控制能为单轨交通工具提供一个低能耗，低成本，低污染的自动平衡系统，从而使驾驶员在任何路况任何速度下都不用再将注意力集中在车的平衡上。

通过控制车的转弯、平衡、刹车、传动、空气动力和辅助轮，计算机控制系统将提高单轨交通工具的系统性能，安全性和易用性。

计算机控制系统能提高车在各种情况下的稳定性，如突然的重心偏移，大风，崎岖的路面，湿滑的路面等等。

通过集成控制和提供自动的刹车能力，能够提高刹车的有效性。刹车子系统可以防止轮胎打滑，在紧急刹车时保持车的平衡，避免翻车事故发生。刹车子系统同时也能通过传感器发现障碍物，然后自动刹车以避免相撞。

计算机控制系统能够提供更好的稳定性。在车速较低的时候，计算机会自动控制两个辅助轮来保持平衡，同时监视路面情况，驾驶员不再需要用脚来保持平衡。

相比于驾驶员控制，计算机控制能提高反应时间。计算机控制系统能够准确完全的探测到车的状态，精确快速的处理信息，从而更加快速的处理路面情况。这样，危及安全的机械设计可以从单轨交通工具上移除，结果将极大提高在机械操作方面的性能。

通过使用有效的空气动力控制，计算机控制能够提高单轨交通工具的稳定性。和飞机相似，在高速运动的时候，系统会使用方向舵和副翼进行控制。系统会根据车的状态来启动方向舵和副翼以提高车的性能和稳定性。

计算机控制系统采取最优的方式来控制转弯系统和辅助轮。车的转弯系统是通过计算机控制的电机来自动操作。计算机控制系统接收方向盘的转弯信号，运用一个最优控制算法，来保持车的平衡和选择最优路径。通过集成其他控制，系统本身还能得到进一步的提高，例如刹车子系统，引擎控制，辅助轮子系统等等。

图1描绘了智能自平衡单轨交通工具的侧面模型图。

根据图1的描绘，一个智能自平衡单轨交通工具是由车身11，一个悬挂的前轮12，转弯电机2、行星转弯齿轮10，后轮13组成。转弯轴14和转弯电机2、行星转弯齿轮10结合在一起构成转弯系统。计算机控制系统作为车保持平衡的主要部件：它通过一组传感器，包括集成滚动、仰俯、横摆传感器15、前轮速度传感器16、后轮速度传感器17检测车当前的状态，计算转弯的角度，然后通过方向盘传来的信号控制车身的倾斜度和最优轨道，以保持车的稳定性。计算机控制系统发出转弯的信号给转弯电机2来控制转弯系统。在一些情况下，如在非常慢的速度、停车或启动时，计算机控制系统将自动展开右辅助轮5、左辅助轮23来保持车的稳定性。在高速时，计算机控制系统收起辅助轮，运用空气动力驱动装置6来提高性能和保持稳定性。这种集成控制可以运用于各种单轨交通工具。

本发明并不是仅仅限于上面所提到的交通工具。上面所举的例子只是为了方便描述这个发明，在这个发明中，任何类似的改动都是可能的。可以根据上面所描述的细节对发明进行改动。下面申明中所用到的方法不应该被认为是局限于某些具体的实施例。在下面的申明中，这项发明的适用范围将被明确定义。

图2描述了自平衡单轨交通工具的计算机控制系统的设计图。

单轨交通工具的自动平衡、自动转弯是通过最优控制技术来实现的。这种控制技术包含了一种存储在芯片中的最优控制算法，这个算法被用于计算传来的数据。这种技术还包含了一组用于检测车的当前状态的集成滚动、仰俯、横摆传感器15、前轮速度传感器16、后轮速度传感器17、转弯角编码器22，一个可以输入信号的方向盘4，和一个转弯电机2。

传感器集成滚动、仰俯、横摆传感器15、前轮速度传感器16、后轮速度传感器17、转弯角编码器22检测车的动态数据，包括车的速度，转弯，滚动、仰俯、横摆角度，以及它们的变化率，前后轮对地面摩擦力，所受的牵引力和制动力等。车上安装的三个相互垂直回旋螺陀仪将用于测量滚动率、仰俯率、横摆率。三个微电机械系统(MEMS)加速计和三个磁力计用于测量滚动、仰俯、和横摆的绝对角度和变换率。这些传感器市场上有售。另外测量值是用转弯角编码器22、前轮速度传感器16和后轮速度传感器17测量前后轮的速度以及转向角度。一种方式是用绝对角度测量的光数编码测量它的角度和转动率。一个可变电位器可以取代20度的测量角度，但是测量精确度和可靠性会有所降低，且温度漂移会增加。扭矩传感器30(见图5)测量路面施加给前轮的随机转矩，同时传输给方向盘一个真实的力学反馈。从各个传感器中测量出来的实时数据被源源不断的送到微处理器1中，用来计算最优转弯角，使车辆达到动态平衡，同时，沿着方向盘指定的方向运行。最优控制算法的反馈控制环在任何情况下都可为其提供一个坚韧的稳定性，包括在加速或者刹车情况下的直线运行，直角转弯，″之″字形行走。

车的实时状态(如速度，滚动、横摆角度，转弯角度等)都显示在仪表盘上。显示的数据包括：转速，时速，电压，温度，转弯信号，高低灯高的信号，里程表，油量等等。如果单轨交通工具大部分是由计算机控制的话，液晶平板显屏仪表盘会全面取代传统的机械仪表盘。超扭曲向列(STN)液晶屏能够提供更宽的视角，使驾驶员在各种天气条件下都能够看得清楚。和传统机械仪表盘相比，使用液晶显示能减轻车的重量，降低动力损耗和系统的复杂性。

车的实时状态将被存储在非易失性的存储器中，以便后面的分析和记录。和飞机黑匣子的功能相似，数字存储器记录最近一段时间车的状态(速度，滚动、横摆角度，和变化率，转弯角度，引擎状态，刹车等)和信号(方向盘角度，刹车踏板等)。数字存储器使用先进先出(FIFO)结构。使用这些设计，最近的数据将被充分的存储以便使用。数据也可以通过数字IO(输入/输出)端口传输给计算机以便后面的分析。数字IO端口对系统分析和固件升级也非常有用。

如图1所描绘，计算机控制的智能单轨交通工具包括了集成的辅助轮和一个计算机控制系统。单轨交通工具延长的车身11也许会产生小的空气阻力。集成的右辅助轮5，左辅助轮23被固定在车身两边，用于静止和低速的时候保持车的平衡。计算机控制系统使用线性或非线性最优控制数学模型和一个集成的刹车控制系统，用于在减速的时候保持平衡。计算机控制系统还使用主动的空气动力控制，使车能在高速行驶时或风速过大时保持车的平衡，以及发动机和变速器的管理控制。

单轨交通工具通过一个摆臂连杆将前轮12、后轮13与车身11连接起来。车的前部包括了伸缩连杆和转弯轴14。车的前部和车身通过转弯轴14连接起来。车的方向和动力可以通过车的前轮12和后轮13不同的结合来控制。

单轨智能交通工具使用人机交互模式，同时驾驶这种交通工具也很像驾驶汽车。这种交通工具使用方向盘来直接控制方向，使用脚踏板作油门和离合器(手动挡使用)。

用于动态平衡和集成控制的计算机控制系统使用控制软件来进行传感，处理，驱动等各项操作，以达到最优动态平衡。可以使用数字微处理器，特定用途集成电路或者微控制器来执行这个程序。在具体实施例中，这个软件可以是一个多任务实时操作系统，通过它来为各项任务管理。方向盘4提供的信号就作为一个预计的方向传送给计算机控制系统。方向盘4与前轮12交互，得到的力反馈信息来反映真实的路面情况。

各传感器测量车的实时状态和车与环境的相互作用，然后提供信号给计算机控制系统，以此保持车的平衡。转弯电机2接收到计算机控制系统传来的信号，然后改变方向组件来保持动态平衡。右辅助轮驱动装置9、左辅助轮驱动装置24接收计算机控制系统传来的控制信号来控制辅助轮。

控制软件的控制模式是根据对现实中交通工具状态的多体动力学的物理描述得到的最优控制方法。

控制软件的一个优点是通过当前的动力学状态，反馈的信息和驾驶员的意图使用最优控制算法来计算出车的动态平衡状态。

在具体实施例中，控制软件所使用的控制模型是根据神经网络如小脑模型枢纽控制等，这些模型具有适应和学习能力。或者是根据模糊逻辑控制模型。

因此，计算机控制系统接收传感器的输入信号，然后对输入信号和方向盘信号进行处理，最后控制传动器形成一个闭环控制。所以即使在一些突然的颠簸的情况下，如突然的重心偏移，突然的大风，崎岖不平的路面，湿滑的路面等，计算机控制系统也能使车达到很好的平衡。

在具体实施例中，计算机控制系统还包括了一种集成控制，其使用各种不同的处理模式，包括通过单处理器的计算和通过多处理器的分布计算，每种模式都作用于专门的控制任务。计算机控制系统所使用的计算机硬件包括了一个数字信号处理过程以获取更有效率的计算结果用于更多的控制。计算机控制系统还要对硬件，存储器，传感器和传动器进行自检。

计算机控制的集成刹车系统通过前刹车驱动器7、后刹车驱动器8以最优动力控制前后轮达到刹车的目的。和计算机控制系统连接在一起的前刹车驱动器7、后刹车驱动器8能够防止车轮抱死，同时也能防止车失去平衡或打滑。计算机控制系统还能通过临近传感器和计算的轨道检测出潜在的碰撞，然后计算机控制系统发出控制信号启动刹车和转弯系统以自动避免碰撞。

计算机控制系统使用控制算法控制右辅助轮5、左辅助轮23，使车在低速、停车或其他需要的时候保持平衡。连接辅助轮的右辅助轮支架27、左辅助轮支架28能够设置成各种不同的角度，左右辅助轮支架可以根据车的状态设置成最优的角度。在控制系统失效的时候也有失效保护机制来控制辅助轮。

辅助轮控制算法发出信号给右辅助轮驱动装置9、左辅助轮驱动装置24以改变辅助轮角度。同时角度传感器也返回信号以确认角度已经被改变，辅助轮已经根据需要被配置好。当车停在高低不平的路面时，计算机会感应路面状况，控制算法会根据情况计算所需角度来配置辅助轮以保持车的平衡。当驾驶员在急弯前停下时，控制系统会发出信号，在车转弯之前调整好辅助轮的角度。辅助轮系统具有快速配置和缓慢收缩的机制。

计算机控制系统含有一个集成空气动力驱动装置6，在高速行驶时它能通过控制空气阻力驱动器来提高稳定性和车的性能。空气动力驱动装置6命令计算机控制系统接收车的状态信号(速度、滚动、横摆角度和变化)，同时控制一个平衡舵和副翼来提高车在高速时的稳定性。集成最优控制算法能够保持引擎速度和转速的平衡以提高车的性能，降低燃料的损耗。

计算机控制系统使用LCD作为仪表盘，其显示的数据包括：倾斜角，转弯角度，速度，引擎转速，挡位状态，辅助轮状态。仪表盘还显示实际倾斜角度和对于路面和车的状况而言的可倾斜度的对比，这样可以让驾驶员在倾斜度的范围内安全驾驶。另外仪表盘还显示一般的数据如引擎速度，车速，电池状态，温度。当驾驶员速度过快时系统还会发出警告信号同时在仪表盘上显示出来。(如前面急弯，放慢速度。)

计算机控制系统针对安全组件使用了一个安全控制程序。这里的安全组件包括安全气囊，主动约束系统，临近传感器32，用于安全装置的前刹车驱动器7、后刹车驱动器8。

计算机控制系统使用一个固定的存储器来保存一段固定时间的车的状态和驾驶员的驾驶状态，这些信息将被用来调试和事故调查。

计算机控制系统使用数字IO端口连接外部计算机，也用于固件升级，系统诊断和外部数据分析。

在具体实施例中，单轨交通工具的硬件设计专门对计算机控制系统进行了优化。这种工具使用带门的防护罩来保护成员以防止碰撞、天气和大风的影响。

图3描绘了使用离散时间、非线性的最优闭环控制的控制系统的控制图。

在具体实例中，车的智能部分来自于它的集成最优控制算法。集成最优控制算法将辅助控制循环来保持车的稳定。车还具有一个由连续非线性二次微分代数方程(DAEs)所描述的动态系统。由计算机控制的车的行驶路线尽量接近驾驶人想要时行驶的路线。自动平衡的单轨交通工具使用非线性控制方法来达到最优控制。如摩托的实时状态可以由它的滚动角、横摆角，车轮转速，转弯角度和前后轮悬挂系统来反映。从车多个部件的实时状态，就可以得到关于车不同状态的连续非线性二次微分代数方程。而这组DAEs就判定了车的运动方式。通过这些动态方程，计算机控制系统将选择一条最优路线来保持车的稳定。因为系统是高度非线性的，所以由于实时和计算机资源的限制，要计算出最优路线是非常困难的。系统使用离散时间步骤，而不是由微处理器将系统状态分成很多小的部分线性化。这样，对于每个部分来说，非线性就变成了线性的二次调节器问题。控制系统的目标是最小化每一个不利的功能，以保持车的稳定，按照驾驶员的意图行驶。控制系统的反馈闭环非常有效地减少了随机干扰(路面不平，大风，模式和数据错误，参数错误等)的影响。在实例中，使用最优控制算法的单轨交通工具能很好的保持平衡。

其他的控制方法，如人造神经网络(ANN)，小脑模型枢纽控制(CMAC)，模糊控制，也能用来代替最优控制算法达到相同的功能。ANN不用依靠详细精确的机械模型。当系统非常复杂而不适于建立精确模型时，ANN将非常有用。ANN的另一优点是它的适应性。当环境改变时，控制系统会非常简便快捷的作出最优的改变。这里给出一个中心偏移的例子。假设一辆车发生重心偏移，系统会马上发出指令调整车的平衡达到最优状态。这个动态行为所需要的数据来自于先输入的数据。

车载计算机控制系统使用实时操作系统(RTOS)执行很多控制任务(如动态平衡、辅助轮控制、主动空气动力控制、刹车系统等)。RTOS的主要工作是对任务排序并为人物分配CPU和内存资源。RTOS使得高级别的任务优先于低级别的任务被执行。例如，集成控制系统和动态平衡就被定义为最高级别的任务。

图4a描绘了控制系统的流程图。

在模块401中微处理器校准系统。校准系统包括了所有编码器的内部循环和使用增量式编码器的绝对度量。微处理器也要对计算机系统、线路连接、传感器和驱动器进行自检。如果自检不成功，微处理器会终止系统检查并调用模块402。如果自检成功，微处理器调用模块403通过光学编码器读取方向盘状态。在模块404中，微处理器通过方向盘信息计算出驾驶员的目标路线。在模块405中，微处理器读取车的实时状态如滚动、仰俯、横摆角度和变化率，车速，转弯角度。在模块406中，读取的车的状态将被分类并被分配到不同的域。在模块407中，一个特殊的线性二次校准器被调用，同时微处理器会计算出一个最优控制和如图3中的闭环反馈稳定状态。在模块408中，微处理器会延迟到下一个时钟周期并开始计算。然后在409中检查车是否发动。如果驾驶员将车熄火，微处理器会调用模块410中的停车程序，程序中包括了减速、放下辅助轮、关掉计算机控制系统和车等子程序。

图4b.描绘了用户控制的方向盘/把手的模型图。

方向盘4连接到微处理器1，并把驾驶员意图传输给微处理器1并将路面情况信号传回给驾驶员。驾驶员的方向信号在传输给微处理器1之前将被方向盘编码器20转换成数字信号。方向盘编码器20提供了很高的稳定性和准确性。方向子系统的运转和汽车类似，这样已经熟悉汽车的驾驶员会很快适应驾驶这种单轨交通工具。一个典型的汽车方向盘转弯角度为-540度到+540度，而方向盘可以转超过360度，编码器也必须能处理更多的转弯信号。因为我们的方向盘不是和转弯装置、前轮直接相连，所以驾驶员不会感觉到路面对前轮的影响。力反馈作用于转弯装置而不是方向盘。这里的力反馈是由方向盘电机21和换挡装置产生。方向盘电机21将扭矩传感器30测到的路面情况传输给方向盘。

图5描绘了方向部件的模型图。

计算机控制系统通过转弯电机2和行星转弯齿轮10来控制方向部件以达到合适的角度和速度。转弯电机2在恰当的时间序列中，使用一个速度传感器来生成正弦电压，并传给它的配线连接器。实际的转弯角是通过安装在方向轴14上的转弯角编码器22测量。当车转弯时，转弯行星齿轮将电机转速从3000转/分降到20转/分，同时增加转弯角度。在转弯角度很大的时候，转弯行星齿轮提供了很高的可靠性。计算机控制系统不断地读取转弯角度的编码信号，同时将一个最优控制信号序列即时传输给转弯电机和齿轮，以做出一个理想的路线选择和状态控制。转弯电机2和行星转弯齿轮10是通过控制方向轴14来控制转弯动作。

图6描绘了集成辅助轮的模型图。

当车速太慢而不能保持平衡时，或者在停车时，计算机控制系统会自动启用右辅助轮5、左辅助轮23来保持车的平衡。这两个独立控制的辅助轮也可以在转急弯或者在快速转弯时使用，以提供更好的平衡性。右辅助轮传感器25、左辅助轮传感器26将控制信息反馈给计算机，右辅助轮驱动装置9、左辅助轮驱动装置24通过调整辅助轮角度和转弯角度使前后轮始终为主要的压力承受者，以保持车的稳定性。右辅助轮驱动装置9、左辅助轮驱动装置24含有内置的编码器分别将右辅助轮支架27、左辅助轮支架28的角度传输回计算机控制系统。

图7描绘了辅助轮在倾斜情况下的模型图。

在车停或转弯时，车身会根据方向盘的位置有一个小的倾斜角。计算机控制系统通过方向盘编码器20读取方向信息，再计算一个最优倾斜角，然后控制辅助轮驱动装置调整车身的倾斜角度29。

图8描绘了辅助轮另一种用法的模型图。

计算机控制系统可以独立调整右辅助轮支架27、左辅助轮支架28以形成各种角度。这对于在不平的路面停车时保持车的平衡是非常有用的。计算机控制系统通过安装在车身上的倾斜计读取倾斜信息，再计算支架所需要的角度，然后再指示辅助轮驱动装置调整角度使车在不平的路面保持平衡。

图9描绘了刹车子系统的模型图。

在紧急刹车时，微处理器1从安装在前轮速度传感器16、后轮速度传感器17(图1)读取车轮转动状态，判断车是否会打滑，并根据其他传感器信号判断是否会摔倒，用于刹车控制的独立微处理器31和微处理器1形成一个分布系统。安装在前后轮上的传感器直接发送信号给微处理器31，它直接控制刹车装置快速使用防抱死功能刹车。同时微处理器1计算出最优路线和最大刹车力以防止破坏车的平衡。微处理器1还要产生一个在刹车状态下的最优路线，并指示转弯电机2执行它。在车不能自己保持平衡时，微处理器1还能配置辅助轮以保持平衡。使用这种方法，会有一个最短的刹车距离，同时车也能保持平衡状态。

这种单轨交通工具可以安装防护壳、空调、音响系统，就象汽车一样。他们能够在各种天气条件下让驾驶员感到舒适，同时还有撞车保护。

计算机控制的自动平衡摩托具有单轨交通工具的所有优点：燃料损耗降低，温室气体排放降低，灵敏的操作性，减少土地资源的浪费，比汽车便宜。同时它还具有很好的稳定性和像汽车一样简便的操作。如果在大城市和人口众多的第三世界国家广泛使用这种交通工具，将会在环境、土地资源和燃料使用方面产生积极的影响。

上面对这项发明所进行的描述，包括在摘要里面的描述，并没有限定这项发明的具体形式。在具体的实例中，发明的一些部分也可以做一些相关的改变。这些改变将按照上面所描述的细节进行。例如，大多数的硬件和计算机操作可以用软件来模拟。

Claims (20)

1.单轨交通工具，包括车身和计算机控制系统，所述计算机控制系统通过分析传感器的信号，控制转弯电机来保持车身的动态平衡。

2.如权利要求1所述的单轨交通工具，所述传感器包括带有回旋螺陀仪的传感器。

3.如权利要求1所述的单轨交通工具，所述传感器包括带有加速计的传感器。

4.如权利要求1所述的单轨交通工具，所述传感器包括带有磁力计的传感器。

5.如权利要求1所述的单轨交通工具，所述计算机控制系统通过最优控制算法来保持车的平衡。

6.如权利要求1所述的单轨交通工具，还包括一个与平衡控制系统集成的计算机控制刹车子系统，所述计算机控制刹车子系统在刹车的时候保持车的平衡。

7.如权利要求6所述的单轨交通工具，所述计算机控制刹车子系统在最优力计算的基础上，直接控制分别安装在前后轮的刹车驱动装置。

8.如权利要求1所述的单轨交通工具，还包括一个计算机控制转弯系统，所述计算机控制转弯系统通过方向盘接收驾驶员的意图，并结合传感器的信号，以达到保持平衡和按照驾驶员意图行驶的目的。

9.如权利要求8所述的单轨交通工具，还包括由计算机控制转弯系统控制的方向盘电机，方向盘电机中的传感器探测方向盘的位置并将信号输入给计算机控制转弯系统，并接收计算机控制转弯系统发出的转弯信号。

10.如权利要求1所述的单轨交通工具，还包括：一个方向舵和一个副翼，以辅助计算机控制系统保持车的平衡。

11.如权利要求1所述的单轨交通工具，所述计算机控制系统通过分析传感器的信号来控制转弯和倾斜的角度。

12.如权利要求1所述的单轨交通工具，还包括安装在车身两边的辅助轮，所述计算机控制系统接收传感器传出的路面倾斜的信号，分析并控制辅助轮来保持车身的平衡。

13.控制单轨交通工具的方法，包括：

根据一个或多个传感器发出的信号，通过控制转弯电机保持车的动态平衡；

根据一个或多个传感器发出的信号控制转弯和倾斜角度。

14.如权利要求13所述的控制单轨交通工具的方法，还包括：

根据最优力道计算控制刹车驱动器。

15.如权利要求13所述的控制单轨交通工具的方法，还包括：

通过测量单轨交通工具的实时状态来控制辅助轮的起落。

16.如权利要求13所述的控制单轨交通工具的方法，还包括：

通过检测路面倾斜状况来调整辅助轮角度。

17.单轨交通工具控制装置，包括：

动态平衡控制装置，所述动态平衡控制装置根据传感器发出的信号，通过控制转弯电机保持车的动态平衡；

转弯和倾斜角度控制装置，所述转弯和倾斜角度控制装置根据传感器发出的信号控制转弯和倾斜角度。

18.如权利要求17所述的单轨交通工具控制装置，还包括刹车驱动器控制装置，所述刹车驱动器控制装置根据最优力道计算控制刹车驱动器。

19.如权利要求17所述的单轨交通工具控制装置，还包括速度检测控制装置，所述速度检测控制装置通过测量单轨交通工具的速度来降低辅助轮。

20.如权利要求17所述的单轨交通工具控制装置，还包括路面检测控制装置，所述路面检测控制装置通过检测路面倾斜状况来调整辅助轮角度。

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