CN205327297U - 一种两轮智能平衡车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种两轮智能平衡车，包括分别与平衡车的车轮相连的两个电机，以及用于驱动两个电机的驱动电路；所述的电机采用无刷直流电机；电机上连接有用于获取电机实时速度的传感器部分，传感器部分连接控制部分，控制部分用于接收传感器部分获取的实时速度，并通过驱动电路调节电机的实时速度。本实用新型中采用的直流无刷电机摒弃了传统的电刷和换向器，相比之下，本实用新型平衡车车体的稳定性和可控性更强，适应性强，尤其是电机故障率有效降低，后期的维修和保养也比较简单，寿命更长。整车的系统性能大幅度提升，其产品具有更大的市场价值和经济效益。

Description

一种两轮智能平衡车

【技术领域】

本实用新型属于智能车领域，具体涉及一种两轮智能平衡车。

【背景技术】

两轮平衡车价格低廉，体积小，质量轻，便于移动与携带。与两轮电动车相比，方便操作，灵活性高，可实现零半径转向。与独轮车相比，稳定性较好，安全系数较高。并且随着现代控制理论、电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的不断发展，大大提高了两轮平衡车的控制性能。目前，两轮平衡车已经成为了重要的研究对象，而且，控制技术已经比较成熟。

但是大多数人主要使用直流有刷电机做一些相关的研究，所以虽然平衡车稳定性较传统代步车较好，但是却不能够达到更高的稳定性和安全性的要求。另外直流有刷电机由于内部加装了电流换向用的电刷和换向器，造成了电机结构复杂，可靠性差，故障率高，维护工作量大，寿命短，换向火花容易产生电磁干扰。

【发明内容】

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种两轮智能平衡车，提高了平衡车的稳定性和安全性。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

包括分别与平衡车的车轮相连的两个电机，以及用于驱动两个电机的驱动电路；所述的电机采用无刷直流电机；电机上连接有用于获取电机实时速度的传感器部分，传感器部分连接控制部分，控制部分用于接收传感器部分获取的实时速度，并通过驱动电路调节电机的实时速度。

进一步地，传感器部分包括用于获取电机实时速度的旋转编码器。

进一步地，传感器部分还包括用于采集车身偏移的角速度的数字陀螺仪，以及用于采集车身偏移角度的加速度计。

进一步地，传感器部分还包括用来采集方向控制量的操作杆和用来检测障碍情况的避障传感器。

进一步地，传感器部分还包括用来检测路况的红外传感器。

进一步地，控制部分还与人机交互部分相交互。

进一步地，人机交互部分包括无线通信模块、按键、显示屏、蜂鸣器和LED灯。

进一步地，平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制部分相交互。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型中采用的直流无刷电机摒弃了传统的电刷和换向器，相比之下，本实用新型平衡车车体的稳定性和可控性更强，适应性强，尤其是电机故障率有效降低，后期的维修和保养也比较简单，寿命更长；同时通过获取电机实时速度，从而得到与电机相连且同步的车轮速度，所以控制部分接收实时速度后，并通过驱动电路调节电机的实时速度，就能够完成对车轮速度的调整，完成车体自平衡的精确控制，有效提高了平衡车的稳定性和安全性；本实用新型整车的系统性能大幅度提升，其产品具有更大的市场价值和经济效益。

进一步地，本实用新型通过设置数字陀螺仪和加速度计，能够获取车体的角度和角速度，便于进行角度PID控制，使车体能平稳的保持直立。

进一步地，本实用新型通过设置红外传感器，利于进行路况判断，利于为调整平衡车行驶的最高行驶速度提供依据，以强化自平衡控制以提高安全系数。

进一步地，本实用新型通过设置摄像头，实现平衡车的无人侦察功能和车底路况拍摄，提高运行安全性。

【附图说明】

图1为本实用新型的系统总框图。

图2为本实用新型的硬件结构图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1为系统的总框图，整个系统划分为4个主要部分：传感器部分，控制部分，人机交互部分和电机驱动部分，传感器部分连接控制部分，控制部分连接驱动电机部分，且控制部分和人机交互部分相交互。控制部分采用STM32主控制器芯片，用于控制平衡车的两个电机，并利用传感器信号不断调整平衡车的姿态和行驶速度，实现在不同路况和行驶要求下的整车稳定行驶。通过一些人机交互模块可以实现对平衡车的工作状态和性能显示，并通过无线技术可以完成平衡车的无人遥控控制能力。其中，电机采用无刷直流电机，且两个无刷直流电机分别与平衡车的车轮相连。

图2为硬件结构图，主要包括：

(1)传感器部分：主要由数字陀螺仪，加速度计，编码器，操作杆，避障传感器和红外传感器构成。传感器可直接采集所需要的信息，其中，数字陀螺仪用来采集车身偏移的角速度，加速度计用来采集车身偏移角度，当车体有偏移角度的时候，重力会在水平和垂直方向产生两个加速度，加速度计获取其中一个通过计算来获取与竖直方向的夹角；编码器采用旋转编码器，用来采集电机的实时速度，从而获取与电机相连且同步的车轮速度，因此得到平衡车的实时速度；操作杆用来采集方向控制量，避障传感器用来检测障碍情况，红外传感器用来检测路况。

(2)控制部分：由单片机和最小系统板组成。主要通过获取传感器的反馈信号来控制电机的运行、维持自平衡、和实现相关功能。例如获取旋转编码器、数字陀螺仪、加速度计等的反馈信号，将反馈信号经过控制部分的调理运算(倍数放大和偏置运算)产生一个输出信号控制电机的速度，如实时速度、角速度和偏移角度等从而保持车体的自平衡；获取红外传感器的反馈信号，通过相关处理对路况当前的平整度进行判断，从而设置最高行驶速度和强化自平衡控制以提高安全系数；获取操作杆的电压信号从而产生电机控制信号来控制左右两个电机差速运转来控制平衡车完成转向。

(3)人机交互部分：该部分主要由无线通信模块，按键，显示屏，蜂鸣器，LED灯和摄像头组成。其中无线通信实现手机与单片机进行信息传输和视频的传输，其中，视频传输功能可以实现平衡车的无人侦察功能和车底路况查看功能；按键可以供用户选择模式，可以选择灵敏度，选择速度等等；当平衡车车处于不同模式或工作状态时，点亮不同的LED灯，提醒用户；将电池电量，行驶路程和车前死角视频等车体信息显示在显示屏上。平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制部分相交互。

(4)驱动电机部分：该部分由电机驱动电路和直流无刷电机组成，驱动电路用于驱动两个电机。

本实用新型主要工作过程及原理：包括了无线通讯蓝牙模块的信息交互、车底摄像头信息的编码、键盘按键扫描、采集避障传感器信号并通过避障算法计算路线(如继续直行或拐弯避开障碍)、采集路况传感器信号并且通过路况检测算法计算出路况参数以备调用，下来是蜂鸣器提示音、LED指示灯、显示屏三大人机交互模块的控制；通过路况参数调整车体行驶的最高速度参数、采集加速度计和陀螺仪的检测信号，通过卡尔曼滤波处理收集到的陀螺仪和加速度计的信号，通过角度PID对车体角度进行调整、采集速度传感器的信号通过速度PID完成对速度的闭环控制、采集操作杆的电压信号并做出相对应的转向、避障控制。

操作系统：系统将采用uCOS嵌入式操作系统，实现对两轮平衡车的多任务实时管理。

本实用新型针对现有平衡车存在的缺陷和不足，利用直流无刷电机和低成本高性能的STM32主控制器芯片，具体采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，性价比及稳定性高，资源丰富可拓展性高，有效提高了控制的准确性和可靠性；摒弃了传统的电刷和换向器，采用传感器获取电机实时速度来控制电机提高了电机的可靠性和准确性以及续航时间，并且降低了电机的维护费用。本实用新型优化了系统结构，大幅提高系统动态特性；同时研究控制电路及驱动电路的设计、uCOS-II操作系统以及各个功能的控制，提高了平衡车的稳定性和耐用性，同时开发专用的配套手机控制软件，并丰富了功能，优化了用户体验，方便了出行。

Claims (8)

1.一种两轮智能平衡车，其特征在于，包括分别与平衡车的车轮相连的两个电机，以及用于驱动两个电机的驱动电路；所述的电机采用无刷直流电机；电机上连接有用于获取电机实时速度的传感器部分，传感器部分连接控制部分，控制部分用于接收传感器部分获取的实时速度，并通过驱动电路调节电机的实时速度。

2.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，传感器部分包括用于获取电机实时速度的旋转编码器。

3.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，传感器部分还包括用于采集车身偏移的角速度的数字陀螺仪，以及用于采集车身偏移角度的加速度计。

4.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，传感器部分还包括用来采集方向控制量的操作杆和用来检测障碍情况的避障传感器。

5.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，传感器部分还包括用来检测路况的红外传感器。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，控制部分还与人机交互部分相交互。

7.根据权利要求6所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，人机交互部分包括无线通信模块、按键、显示屏、蜂鸣器和LED灯。

8.根据权利要求1所述的一种两轮智能平衡车，其特征在于，平衡车的车底安装有用于拍摄车底路况视频的摄像头，摄像头与控制部分相交互。