CN220189134U - 一种基于竞赛的无人驾驶自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人驾驶自行车，包括自行车车体，所述自行车主体上设有自平衡调节模块、转向模块、前行模块、定位模块、环境感知模块和控制模块；所述自平衡调节模块用于自动调节自行车平衡，所述转向模块用于改变自行车前行方向，所述前行模块用于使自行车前行，通过定位模块和环境感知模块采集的数据，控制模块控制自行车行走，本实用新型成本较低，操作简便，特别适合教学和竞赛，易于学生进行二次研发和学习使用。

Description

一种基于竞赛的无人驾驶自行车

技术领域

本实用新型属于教学用无人驾驶技术领域，具体涉及一种基于竞赛的无人驾驶自行车。

背景技术

无人驾驶自行车项目是全国大学生智能汽车竞赛的一子项目，比赛规则如下：静止平衡赛中无人自行车需要在比赛期间保持1分钟静止不倒，要求自行车所在地面平整，周边不得放置任何支撑物体。直线运行比赛中自行车前轮位于赛道区域外保持静止平衡两秒，然后在总长度10m，宽20cm赛道上直线运行，且在自行车运动1m后不得人为干预。自主避障赛时，自行车从起始区出发，经过总长度为20m，中间交替穿梭3～5个障碍的场地后，到达终止区，如图6所示。

依据比赛规则，要想完成比赛任务，必须设计一款无人驾驶自行车，其应具备自平衡调节、运动控制、目标识别、自主避障的功能。目前的实验设备中专门针对自行车竞赛的实验设备较少，所设计的自行车不能很好的完成竞赛要求，学生对于竞赛理解不足，很有必要设计一款用于竞赛教学和示范的无人驾驶自行车。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于竞赛用的无人驾驶自行车，该自行车可以实现自平衡调节、运动控制、目标识别、自主避障等功能。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于竞赛的无人驾驶自行车，包括自行车主体，所述自行车主体上设有自平衡调节模块、转向模块、前行模块、定位模块、环境感知模块和控制模块；

所述自平衡调节模块包括动量驱动定子、动量驱动动子、无刷电机和惯性轮，动量驱动定子固定在自行车车架的固定架上，动量驱动动子一端与动量驱动定子连接，另一端固定安装有无刷电机，无刷电机的输出轴通过飞轮垫连接有惯性轮；动量驱动定子的侧面安装有陀螺仪，通过陀螺仪测量当前自行车的状态，并通过状态控制无刷电机正反转以及其转速，实现调节自行车平衡；

所述转向模块包括舵机和同步轮，同步轮固定安装在自行车主体的转向轴上，同步轮与舵机的输出轴之间通过皮带连接，舵机工作带动同步轮转动，进而带动转向轴转动，从而实现自行车转向；

所述前行模块包括后轮驱动定子、后轮驱动动子和无刷直流电机，后轮驱动定子固定安装在自行车主体的车架上并靠近后轮的位置，所述后轮驱动动子一端固定安装在后轮驱动定子上，另一端为U形结构，且U形结构的开口处设置所述无刷直流电机，无刷直流电机的侧面与自行车主体的后轮接触，无刷直流电机工作带动自身转动，进而使后轮和无刷直流电机之间产生转动摩擦力，进而使后轮转动实现自行车的前行；

所述定位模块包括激光雷达和深度相机，激光雷达安装在自行车主体的车架上，深度相机安装在自行车主体的车把上，深度相机及激光雷达能够实现障碍物位置及距离的监测，并将障碍物的位置和距离信息反馈给控制模块；

所述控制模块包括工控机、单片机模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和通信模块，工控机与激光雷达、深度相机、单片机模块和通信模块连接，单片机模块与电机驱动模块、舵机驱动模块、陀螺仪和环境感知模块连接；电机驱动模块与无刷电机和无刷直流电机连接，舵机驱动模块与舵机连接。

进一步地，所述无刷直流电机的侧面设有橡胶层。

进一步地，所述环境感知模块采用两个光传感器实现，光传感器安装在自行车主体的车架上，且其采集方向分别朝向自行车主体的两侧。

进一步地，所述通信模块采用无线通信模块，通过无线通信模块连接有远程终端。

本实用新型提供的自行车可在设定的比赛场景，按照比赛规则，实现自行车的自平衡调节、运动控制、目标识别、自主避障等功能，并且剧透成本较低，操作简便，特别适合教学和竞赛，易于学生进行二次研发和学习使用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型自平衡模块结构示意图。

图3为本实用新型转向模块结构示意图。

图4为本实用新型前行模块结构示意图。

图5为本实用新型连接关系示意图。

图6为无人驾驶自行车竞赛场地布局示意图。

图中标记：10、自行车主体；20、自平衡调节模块；21、动量驱动定子；22、动量驱动动子；23、法兰轴承；24、无刷电机；25、惯性轮；30、转向模块；31、同步轮；32、舵机；33、皮带；40、前行模块；41、后轮驱动定子；42、后轮驱动动子；43、法兰轴承；44、无刷直流电机；51、激光雷达；52、深度相机；60、光传感器。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的一种无人驾驶自行车包括自行车主体10、以及安装在自行车主体10上的自平衡调节模块20、转向模块30、前行模块40、定位模块、环境感知模块和控制模块。

所述自行车主体10采用传统自行车，其包括车架、以及安装在车架上的前轮、后轮和车把手等，本实施例不改变自行车的结构，仅通过在自行车安装在不同功能的模块，使自行车实现无人行驶。

所述自平衡调节模块20用于自动调节自行车平衡，并且在前行模块40不工作的情况下，可使自行车保持静止平衡；如图2所示，它包括动量驱动定子21、动量驱动动子22、无刷电机24和惯性轮25。所述动量驱动定子21固定在自行车车架10的固定架上，动量驱动定子21横向设置有法兰轴承23，动量驱动动子22一端与法兰轴承23连接，另一端固定安装有无刷电机24，无刷电机24的输出轴通过飞轮垫连接有惯性轮25。所述法兰轴承23一侧安装有陀螺仪，通过陀螺仪测量当前自行车的状态，并通过状态控制无刷电机24正反转以及其转速，实现调节自行车平衡。

所述转向模块30用于控制自行车的方向，即自行车在行驶过程中左转、右转或前行，如图3所示，它包括舵机32和同步轮31，所述同步轮31固定安装在自行车主体的转向轴上，同步轮31与舵机32的输出轴之间通过皮带33连接，舵机32工作带动同步轮31转动，进而带动转向轴转动，从而实现自行车转向。

所述前行模块40用于驱动自行车前行，如图4所示，它包括后轮驱动定子41、后轮驱动动子42和无刷直流电机44，后轮驱动定子41固定安装在自行车主体10的车架上并靠近后轮的位置，所述后轮驱动动子42一端通过法兰轴承43与后轮驱动定子41连接，另一端为U形结构，且U形结构的开口处设置所述无刷直流电机44，无刷直流电机44的侧面与自行车主体的后轮接触，无刷直流电机44的侧面设有橡胶层，保护电机的同时增加与后轮之间的摩擦力，无刷直流电机44工作带动自身转动，进而使后轮和无刷直流电机44之间产生转动摩擦力，进而使后轮转动实现自行车的前行。

所述定位模块用于采集比赛现场的障碍物信息，它包括激光雷达51和深度相机52，所述激光雷达51安装在自行车的车架上，具体可安装在自行车车架10的横杆上，所述深度相机52安装在自行车的车把上，深度相机52及激光雷达51能够实现障碍物位置及距离的监测，并将障碍物的位置和距离信息反馈给控制模块。

所述环境感知模块用于检测自行车两侧是否有影响自行车安全行走的物体，具体采用两个光传感器60，两个光传感器60安装在自行车的车架上。

如图5所示，所述控制模块包括工控机、单片机模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和通信模块，工控机与激光雷达51、深度相机52、单片机模块和通信模块连接，单片机模块与电机驱动模块、舵机驱动模块、陀螺仪和光电传感器连接；电机驱动模块与无刷电机24和无刷直流电机44连接，舵机驱动模块与舵机32连接，通信模块采用无线通信模块，本实施例具体采用WiFi模块，通过通信模块与远程终端连接，实现将采集的信息发送个远程终端，实时查看自行车姿态信息及工控机构建的地图，同时，远程终端可以向主控制器输入控制信号驱动小车的行驶。

自行车进行静止平衡赛时，当自行车发生倾斜时，自平衡调节模块20开始工作，陀螺仪采集自行车倾角信息后，将信息发送至单片机模块，单片机模块处理倾角信息并将信息通过串口通信传输至电机驱动模块，无刷电机24工作带动惯性轮25转动，提供与自行车倾斜相反方向的角动量，使自行车重新恢复平衡状态，平衡持续一分钟后进入直线运行比赛。

直线运行比赛时，自平衡调节模块20开始工作，保持自行车在起始区平衡两秒，然后单片机模块发出信息至电机驱动模块，电机驱动模块控制前行模块40的无刷直流电机44开始工作，通过与后轮摩擦带动自行车前行，直线前行10m后单片机模块控制无刷直流电机44停止运行，比赛进入自主避障赛。

自主避障赛赛道在一条直线上设置有3～5个障碍物，前行开始前，激光雷达51扫描障碍物所在位置，通过数据线传输信息至工控机，工控机71处理数据后通过串口通信传输至单片机模块，单片机模块接收到信号后控制前行模块40工作，当运行到障碍位置时，将自行车位置信息与扫描所得障碍物信息进行对比，主控芯片控制舵机32工作，舵机32转动通过同步轮31控制自行车龙头转动进行转向，转向完成后，激光雷达51工作测量与障碍位置之间距离，自行车根据所在位置与障碍物扫描位置进行对比，确定所在位置具体信息，舵机32控制自行车重新回到直行方向，依次完成全部避障操作，最后自行车行驶至终点区。

以上所述仅是本实用新型优选的实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型所提供的技术方案和实用新型构思进行的改造和替换都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于竞赛的无人驾驶自行车，包括自行车主体，其特征在于：所述自行车主体上设有自平衡调节模块、转向模块、前行模块、定位模块、环境感知模块和控制模块；

所述自平衡调节模块包括动量驱动定子、动量驱动动子、无刷电机和惯性轮，动量驱动定子固定在自行车车架的固定架上，动量驱动动子一端与动量驱动定子连接，另一端固定安装有无刷电机，无刷电机的输出轴通过飞轮垫连接有惯性轮；动量驱动定子的侧面安装有陀螺仪，通过陀螺仪测量当前自行车的状态，并通过状态控制无刷电机正反转以及其转速，实现调节自行车平衡；

所述转向模块包括舵机和同步轮，同步轮固定安装在自行车主体的转向轴上，同步轮与舵机的输出轴之间通过皮带连接，舵机工作带动同步轮转动，进而带动转向轴转动，从而实现自行车转向；

所述前行模块包括后轮驱动定子、后轮驱动动子和无刷直流电机，后轮驱动定子固定安装在自行车主体的车架上并靠近后轮的位置，所述后轮驱动动子一端固定安装在后轮驱动定子上，另一端为U形结构，且U形结构的开口处设置所述无刷直流电机，无刷直流电机的侧面与自行车主体的后轮接触，无刷直流电机工作带动自身转动，进而使后轮和无刷直流电机之间产生转动摩擦力，进而使后轮转动实现自行车的前行；

所述定位模块包括激光雷达和深度相机，激光雷达安装在自行车主体的车架上，深度相机安装在自行车主体的车把上，深度相机及激光雷达能够实现障碍物位置及距离的监测，并将障碍物的位置和距离信息反馈给控制模块；

所述控制模块包括工控机、单片机模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和通信模块，工控机与激光雷达、深度相机、单片机模块和通信模块连接，单片机模块与电机驱动模块、舵机驱动模块、陀螺仪和环境感知模块连接；电机驱动模块与无刷电机和无刷直流电机连接，舵机驱动模块与舵机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于竞赛的无人驾驶自行车，其特征在于：所述无刷直流电机的侧面设有橡胶层。

3.根据权利要求1所述的一种基于竞赛的无人驾驶自行车，其特征在于：所述环境感知模块采用两个光传感器实现，光传感器安装在自行车主体的车架上，且其采集方向分别朝向自行车主体的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于竞赛的无人驾驶自行车，其特征在于：所述通信模块采用无线通信模块，通过无线通信模块连接有远程终端。