CN102079348A - 自平衡载人独轮车***及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自平衡载人独轮车***及控制方法，包括行走单元和控制单元；行走单元的行走轮设置在***的下方，行走轮的上方设有机架，机架的上方设有平衡轮，平衡轮上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄；机架内设有电源和运动控制单元，操控手柄连接到传感器组件上；控制单元包括：运动控制单元、与运动控制单元连接的操控手柄，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件，以及平衡轮轮毂电机驱动单元和行走轮轮毂电机驱动单元；平衡轮的轴线与行走轮的轴线垂直并且不相交。采用了独轮行走机构，行走灵活；通过轮毂电机控制行走轮和平衡轮的正反转，省略了刹车机构，使操作更为简便；实现了独轮车不同行进速度下在前后方向和左右方向的平衡控制。

Description

自平衡载人独轮车***及控制方法

技术领域

本发明属于智能机器人范畴，是一种通过自主运动平衡控制实现独轮车(包括乘员)稳定行走的机器人***，同时也是一种操作简单，使用方便的交通工具。

背景技术

骑行独轮车是人类(或者其他高智能动物)需要经过专门地学***面)和左右方向(xoz平面)维持平衡，所以需要较高的运动平衡技能才能完成这一任务。本发明设计的出发点是应用自主机器人的运动平衡控制技术，模拟人类骑行独轮车时的控制技巧，建立相应的机械和控制***，使自平衡载人独轮车***在行走和站立两种状态下在前后方向和左右方向都能够实现自主平衡控制，从而使得没有经过专门训练的人也能够很容易地骑行独轮车。

发明内容

本发明的目的在于设计一种能够载人的自平衡独轮车***。不仅可以作为一种开放式智能机器人研究开发平台，为运动控制机器人和人工智能等领域的研究和教学提供实验对象，还是一种充满趣味的娱乐设施和一种灵活便捷的交通工具。

本发明涉及一种自平衡载人独轮车***，是采用以下技术手段实现的：

一种自平衡载人独轮车***，包括行走单元和控制单元；行走单元的行走轮(9)设置在***的下方，行走轮的上方设有机架(6)，机架(6)的上方连接控制左右平衡的平衡轮箱(3)，平衡轮箱(3)内设有平衡轮(42)，平衡轮(42)的上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄(2)；机架内设有电源(71)和运动控制单元(51)，操控手柄(2)连接到传感器组件(11)上；控制单元包括：运动控制单元(51)，与运动控制单元(51)连接的操控手柄(2)，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件(11)，以及平衡轮轮毂电机驱动单元(41)和行走轮轮毂电机驱动单元(91)；平衡轮(42)的轴线与行走轮(9)的轴线垂直并且不相交。

前述行走轮的二侧设有载人踏板(8)。

一种自平衡载人独轮车***的控制方法，包括以下步骤：设定Y轴正方向为独轮车的前进方向，X轴正方向为独轮车的左侧方向，Z轴正方向为独轮车站立时的向上方向，XOZ平面为独轮车在左右方向上倾侧角度的平面，YOZ平面为独轮车在前后方向上倾斜角度的平面；

通过扭转操控手柄(2)给定独轮车希望的行进速度和转弯角度，零扭转角度为原地静止站立，正的扭转角度表示前进，负的扭转角度表示后退，扭转角度的绝对值越大，希望行进速度的绝对值就越大；

获取传感器组件(11)的参数值，该些参数值包括：独轮车前进过程中向左侧转弯时向X轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车在前进过程中向右侧转弯时向X轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；在YOZ平面内，独轮车向前行走时向Y轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车后退时向Y轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；

根据获取的传感器组件(11)的实际倾角值与希望倾角值之间的误差值，对独轮车的行驶状态进行判断；

应用行走轮控制方法得到行走轮(9)当前的驱动控制量，通过行走轮轮毂电机伺服驱动模块(91)驱动行走轮(9)的轮毂电机转动，从而获得希望的行进速度和在俯仰方向的平衡；

根据独轮车当前时刻在左右方向上实际倾角与希望倾角之间的误差值，计算出平衡轮的驱动控制量，驱动平衡轮(42)产生一个顺时针或逆时针方向的角加速度，获得一个在XOZ平面内逆时针或顺时针方向的转矩，获得一个将独轮车扶正的力，使得独轮车的实际倾斜角度与希望倾斜角度一致，取得动态平衡。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

一、本发明所涉及的独轮车***是一种智能自平衡机器人。因为其独轮行走的结构特点，可以简化为一个与支撑平面点接触可以在支撑点向前后左右任意方向倾倒的倒立摆模型，所以该独轮车可以作为机器人运动平衡控制自动控制和智能控制算法人工智能和机器学***台，满足这些学科领域教学和科研的需要。

二、本发明所涉及的独轮车***是一种很有趣味性的娱乐器材和很有实用性的交通工具。因为采用了独轮行走机构和手柄控制机构，该独轮车***具有结构简单，操控方便，行走灵活的特点；又因为在左右方向采用了平衡轮(飞轮)***作为平衡控制机构，以及在前后方向采用了针对行走轮的平衡控制策略，这使得一个没有经过专门训练的人也可以很容易地操控该独轮车***，所以该独轮车***可以象segway两轮车一样广泛地应用于休闲娱乐和交通代步等场合。

三、本发明所涉及的独轮车***具有开放式结构，其所有组件单元均采用模块化的设计思想，可以方便地拆卸和更换。这种设计便于***的装配和维护，也有利于用户根据自身需求进行适当地改装以增加新的性能，这一特点对于本独轮车***作为优点一所述的教学科研平台是十分重要的。即当独轮车***作为机器人使用时，用户可以很方便地在其所具有的姿态控制和运动平衡控制的基础上进一步开发和研究其它的智能行为和控制功能。比如，在独轮车***中如果增加视觉***和导航***，就可以使其成为一个具有视觉导航功能的自治机器人***。

附图说明

图1为载人自平衡独轮车***及参考坐标系；

图2为载人自平衡独轮车***的结构图(一)；

图3为载人自平衡独轮车***的结构图(二)；

图4为载人自平衡独轮车的电***结构图；

图5为载人自平衡独轮车的控制***框图；

图6为独轮车***在前后方向的平衡控制原理；

图7为独轮车***在左右方向的平衡控制原理；

图8为独轮车***运动控制程序流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明。

建立载人自平衡独轮车***的空间参考坐标系如图1所示。图中，以独轮车行走轮9与地面的接触点为空间参考坐标系的原点建立左手坐标系，Y轴正方向为独轮车的前进方向，X轴正方向为独轮车的左侧方向，Z轴正方向为独轮车站立时的向上方向。XOZ平面为考察独轮车在左右方向上倾侧角度的平面，当独轮车在前进过程中向左侧转弯时，根据其前进的速度和转弯的角度，应该有一个向X轴正方向偏离Z轴的希望倾角；反之，当独轮车在前进过程中向右侧转弯时，则有一个向X轴负方向偏离Z轴的希望倾角。YOZ平面为考察独轮车在前后方向上倾斜角度的平面，当独轮车向前行走时，根据其前进的速度，应该有一个向Y轴正方向偏离Z轴的希望倾角；当独轮车后退时，有一个向Y轴负方向偏离Z轴的希望倾角；当独轮车定点平衡(静止站立)时，其在YOZ平面内的希望倾角为0°，即车体的轴线与Z轴重合。

本发明的载人自平衡独轮车***包括行走单元和控制单元两部分。

载人自平衡独轮车的行走单元包括机架6、行走轮机构和平衡轮机构，每一部分独立的成为一个组件，组件之间通过螺钉、螺母连接，安装和拆卸十分方便。

请参阅图2图3和图4所示，机架部分构成机器人的本体，包括位于机架下部的电源舱7，位于机架中部的控制器舱5，位于机架上部的平衡轮箱3，在平衡轮箱3内设有平衡轮42，位于机架顶部的传感器舱1，以及用于乘员站立的载人踏板8，用于控制独轮车前进后退速度的操控手柄2等。

行走轮机构采用轮毂电机驱动的独轮行走机构，安装在机架的下方，行走轮9在yoz平面内转动，使独轮车实现向前向后的运动。

平衡轮42采用轮毂电机驱动，安装在机架上部的平衡轮箱3内，平衡轮42的轴线和行走轮9的轴线垂直而不相交，平衡轮42在xoz平面内转动，使独轮车实现左右方向的平衡。

载人自平衡独轮车的电气***包括传感器组件11，控制单元51和电源71等3个部分，如图4所示。

传感器组件11包括X-Y倾角传感器和惯性传感器，位于机架6顶部的传感器舱(1)内，用于获取独轮车的姿态信息。X-Y倾角传感器用于检测独轮车在xoz平面和yoz平面内的倾角信息，这两个倾角信息分别反映了独轮车在前后方向(俯仰)和左右方向(侧倾)的倾斜程度。惯性传感器用于检测独轮车在行进过程中前进方向和机体正面中线方向的夹角，即独轮车在行进过程中的转弯角度信息，以及独轮车行进的速度信息。该转弯角度信息和行进速度信息一起用于确定独轮车行进过程中在xoz平面和yoz平面内的希望倾角(即控制***的参考输入)，因为独轮车(含乘员)在向前行进时，车体应该有一个与行进速度相关的向前的倾角，在需要独轮车原地站立时该希望倾角为0°，而独轮车(含乘员)在向一侧转弯时，车体应该有一个与行进速度和转弯角度相关的偏向转弯一侧的倾角。

请参阅图4，载人自平衡独轮车的控制单元51采用数字信号处理器DSP作为控制器，控制器A/D和D/A转换器、行走轮9和平衡轮42的伺服驱动模块91和41等均设置在控制器舱5内。

载人自平衡独轮车的控制***框图如图5所示。控制***可以分为两个回路，即行走轮控制回路(图5下部线条所示)和平衡轮控制回路(图5上部线条所示)。

在行走轮控制回路中，乘员通过扭转操控手柄2给定独轮车希望的行进速度，零扭转角度表示原地静止站立，正的扭转角度表示前进，负的扭转角度表示后退，扭转角度的绝对值越大，希望行进速度的绝对值就越大。控制***根据希望的行进速度计算出独轮车在俯仰方向上相应的希望倾角作为参考输入，与由传感器组件11中倾角传感器反馈回来的独轮车当前时刻在俯仰方向上的姿态信息进行比较，获得实际倾角与希望倾角之间的误差值，应用行走轮控制算法得到行走轮9当前的驱动控制量，通过行走轮伺服驱动模块91驱动轮毂电机转动，从而获得希望的行进速度和在俯仰方向的平衡性能。

请参阅图6所示，当独轮车在前进过程中向前倾倒，即在YOZ平面内向逆时针方向倾斜一个角度θ(大于当前时刻独轮车平稳运行的希望倾角)时，控制***根据传感器信息计算出独轮车当前时刻在YOZ平面内(前后方向)实际倾角与希望倾角之间的误差值，然后根据行走轮控制算法计算出所需要的行走轮控制量，驱动行走轮9产生一个逆时针方向的正的角加速度ε，使独轮车加速行走并恢复到希望的姿态(使得独轮车在YOZ平面内的实际倾斜角度与希望倾斜角度一致)，从而取得良好的动态平衡效果。当独轮车前进过程中实际倾角小于希望倾角，或者独轮车在后退过程中出现实际倾角大于或小于希望倾角情况时，其控制过程与此类似。

在平衡轮42的控制回路中，因为独轮车的行进速度和转弯角度都对其侧向平衡性能产生影响，即行走轮控制回路对平衡轮控制回路有耦合关系，所以需要进行解耦控制。控制***首先根据由传感器组件11中惯性传感器测得当前时刻独轮车的实际行进速度和转弯角度信息计算出独轮车在左右方向上相应的希望倾角作为参考输入，与由传感器组件11中倾角传感器反馈回来的独轮车当前时刻在左右方向上的倾角信息进行比较，获得左右方向上实际倾角与希望倾角之间的误差值，应用平衡轮控制算法得到平衡轮42当前的驱动控制量，通过平衡轮电机伺服驱动模块41驱动轮毂电机改变平衡轮(飞轮)42转动的速度，从而在左右方向使独轮车获得希望的平衡性能。

请参阅图7关于独轮车在左右方向进行平衡控制的原理，图中平衡轮箱3的箱盖4打开，显示飞轮及其轮毂电机42。当独轮车向左侧倾倒，即在XOZ平面内向顺时针方向倾斜一个角度θ(大于当前时刻独轮车平稳运行的希望倾角)时，控制***根据传感器信息计算出独轮车当前时刻在左右方向上实际倾角与希望倾角之间的误差值，然后根据平衡轮控制算法计算出所需要的平衡轮控制量，驱动平衡轮42产生一个顺时针方向的正的角加速度ε，于是根据动量守恒定理，独轮车将获得一个在XOZ平面内逆时针方向的转矩，相当于获得一个将独轮车扶正的力F，这样就可以使得独轮车的实际倾斜角度与希望倾斜角度一致，从而取得良好的动态平衡效果。当独轮车向左侧倾倒时其控制过程与此类似。实际上，像这种通过平衡轮实现姿态控制的方法人们在实际生活中也经常采用。比如当一个人站在平衡木(或者其它窄的支撑平面)上并即将失去平衡时，人们会下意识地举起手臂从上向倾斜方向挥动以恢复平衡，这时，人挥动手臂的作用就与独轮车转动平衡轮的效果是一样的。

请参阅图2、图3和图4所示，电源71位于机架6下部的电源舱7内，由锂电池和相应的变压装置构成，用于向控制单元51的DSP等控制器件、行走轮9和平衡轮42的轮毂电机及其伺服驱动模块91和41供电。

就像普通独轮车的转弯操作一样，本发明所涉及的自平衡载人独轮车***在转弯时也是通过乘员扭转身体实现转弯运动，转弯角度的大小由乘员扭转身体的幅度控制。

因为本载人独轮车***的行走轮9和平衡轮42均采用轮毂电机控制其正反转，只要不做转弯运动，平衡轮42就不会作加速或减速回转运动，在前进或后退行走时，乘员只需要通过扭转手柄2到中点位置就可以使独轮车停止行进(定点平衡站立)，所以在本独轮车***中不需要刹车***，这样就进一步地简化了***的结构并使操作简便。

出于安全的考虑，只要传感器组件11中的倾角传感器检测到独轮车车体倾斜角度大于30°(即认为此时要么乘员已经下车，要么乘员和独轮车***已不可能恢复平衡并即将倒下)，控制***就会立即自动停车，使行走轮9和平衡轮42停止转动，从而保护设备和人员的安全。

在进行组装时，将行走轮9装配到机架6的下部，行走轮9的轴线与X轴平行，并用螺母紧固；将平衡轮42及其轮毂电机组件装配到机架6上部的平衡轮箱3中，平衡轮42的轴线与Y轴平行，盖上平衡轮箱盖4并用螺母紧固；将操控手柄2和载人踏板8分别装到机架6的顶部和下部，并用螺钉紧固。

将传感器组件11，包括用于检测独轮车***在XOZ和YOZ平面内倾角的双轴倾角传感器，以及用于检测独轮车***前进速度和转弯角度的惯性传感器，安装到传感器舱1中，引出连接线并盖好舱盖；将控制单元51，包括已烧录程序的DSP控制***(含A/D和D/A转换器)以及用于驱动行走轮9轮毂电机的电机驱动模块91和用于驱动平衡轮42轮毂电机的电机驱动模块41安装到控制器舱5中，引出连接线并盖好舱盖；将电源71(含锂电池和相应的变压装置)安装到电源舱7中，引出连接线并盖好舱盖；将传感器组件11的倾角传感器和惯性传感器连接到控制单元51中DSP控制***的A/D转换器；将DSP控制***的D/A转换器连接到行走轮轮毂电机的驱动模块91和平衡轮轮毂电机的驱动模块41，并将这两个电机驱动模块与对应的电机连接；将电源***71的相应变压装置分别与传感器组件11的倾角传感器和惯性传感器控制单元51的DSP芯片、行走轮9和平衡轮42的轮毂电机及其驱动模块91和41连接。

本实施例的自平衡载人独轮车***，其突出的特点在于通过行走轮控制回路实现在前后方向上的俯仰姿态平衡，通过平衡轮控制回路实现在左右方向上的侧倾姿态平衡，其控制程序流程如图8所示：机器人控制单元51的运动控制器DSP***通过A/D转换器读取传感器组件11的传感信息，获得当前时刻独轮车***(含乘员)在前后方向和左右方向的倾角，以及独轮车***的行进速度和转弯角度等姿态和运动信息。

如果独轮车***在XOZ或YOZ平面内的倾角大于30°，则表示独轮车***已经失去平衡，于是所有电机均停止运转(即刹车)以避免造成设备或人员的损伤。反之，则表示独轮车***处于正常运行中，控制***并行地执行平衡轮控制任务和行走轮控制任务。***根据当前独轮车的行进速度和转弯角度计算得出独轮车在左右方向上的希望倾角，计算在左右方向上希望倾角和实际倾角之间的偏差，运行平衡轮控制算法计算出相应的控制量，驱动平衡轮42改变转速以获得期望的左右平衡性能。同时，独轮车***将乘员由操作手柄2输出的希望行进速度和实际行进速度比较得到行进速度偏差，结合转弯角度信息计算得到独轮车***在前后方向的希望倾角，再与独轮车***在前后方向的实际倾角相比较得到角度偏差，运行行走轮控制算法计算出相应的控制量，驱动行走轮9改变转速以获得期望的前后平衡性能和行进速度。

使用本实施例的机器人时，可按如下步骤操作：

安装机械部件；安装电气***；确认机械和电气***各部分的连接正确、可靠；扶正独轮车***，使其处于近似直立状态；打开电源开关，使***开始工作，独轮车***处于定点平衡状态；乘员手扶手柄2，站立到载人踏板8上；扭转操控手柄2，使独轮车***开始载人行走，完成相关的交通或娱乐任务；完成载人行走任务后，扭转操控手柄2到中间位置，使独轮车***处于定点平衡状态；关闭电源，将独轮车***停靠妥当。

本发明的自平衡载人独轮车***具有明显的动态平衡特点，由于其本身特有的复杂平衡控制的特点，在科研娱乐和交通领域都具有广阔的应用前景：除了作为极具特色的便携交通工具和有趣的娱乐工具外，本发明还可以作为一种典型的智能机器人研究平台，在其全方位(前后左右)运动平衡功能的基础上添加其它功能，比如视觉导航等，使其成为一个理想的智能自主机器人研究***。

相比于其它静态平衡载人机器人(如四轮移动机器人)，本发明具有自主运动平衡的显著特点，即独轮车的载人行走过程是一个自主地运动平衡控制过程。由于该***的运动机构为独轮，和地面是点接触方式，独轮车是一个立于xoy平面的不受限倒立摆，独轮车可能偏离z轴向四周360°的任何一个方向倾倒因此要使独轮车(含乘员)稳定行走，就必须使***在xoy平面内运动和静止过程中，在前后方向(yoz平面)和左右方向(xoz平面)始终维持动态平衡以保持其始终处于直立状态(静止站立时)或接近直立状态(比如，在直线行进过程中根据行走速度向前进方向倾斜一定角度，或在转弯过程中根据转弯的速度和角度向转弯一侧倾斜一定角度)。

相比于其它动态自平衡载人机器人(如二轮移动机器人segway)，本发明具有独轮行走的显著特点，主要体现为以下3个方面：(1)如前所述，独轮车是在前后(yoz平面)和左右(xoz平面)2个方向的倒立摆，而segway则只是在前后(yoz平面)1个方向的倒立摆，独轮车平衡控制的难度更大；(2)独轮车作为载人交通工具其结构更为简单，运动更为机动灵活，适应更为复杂的环境，应用范围更广，而像segway那样的2轮车对路面平整度和宽阔度的要求更高，转弯半径也更大，应用受到较多限制；(3)作为娱乐工具，独轮车运动可以完成更多的技巧，也更为有趣，更吸引人。比如原地转身，沿着极窄的路径行走，在平衡木上行走，甚至还可以完成走钢丝等高难度的杂耍动作。

Claims (3)

1.自平衡载人独轮车***，包括行走单元和控制单元；其特征在于：所述的行走单元的行走轮(9)设置在***的下方，行走轮(9)的上方设有机架(6)，机架(6)的上方设有平衡轮箱(3)，平衡轮箱(3)内设有控制左右平衡的平衡轮(42)，平衡轮箱(3)的上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄(2)；所述的机架(6)内设有电源舱(7)和控制器舱(5)，所述的操控手柄(2)连接到传感器组件(11)上；

所述的控制单元包括：基于DSP的运动控制单元51，与运动控制单元51连接的操控手柄(2)，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件(11)，以及平衡轮轮毂电机驱动单元41和行走轮轮毂电机驱动单元91；

所述的平衡轮(42)的轴线与行走轮(9)的轴线垂直并且不相交。

2.根据权利要求1所述的自平衡载人独轮车***，其特征在于：所述的行走轮(9)的二侧设有载人踏板(8)。

3.自平衡载人独轮车***的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

3.1、设定Y轴正方向为独轮车的前进方向，X轴正方向为独轮车的左侧方向，Z轴正方向为独轮车站立时的向上方向，XOZ平面为独轮车在左右方向上倾侧角度的平面，YOZ平面为独轮车在前后方向上倾斜角度的平面；

3.2、通过扭转操控手柄(2)给定独轮车希望的行进速度和转弯角度，零扭转角度为原地静止站立，正的扭转角度表示前进，负的扭转角度表示后退，扭转角度的绝对值越大，希望行进速度的绝对值就越大；

3.3、获取传感器组件(11)的参数值，该些参数值包括：独轮车前进过程中向左侧转弯时机架(6)向X轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车在前进过程中向右侧转弯时机架(6)向X轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；在YOZ平面内，独轮车向前行走时机架(6)向Y轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车后退时机架(6)向Y轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；

3.4、根据从传感器组件(11)获取的机架(6)实际倾角值与希望倾角值之间的误差值，对独轮车的行驶状态进行判断；

3.5、应用行走轮控制方法得到行走轮(9)当前的驱动控制量，通过行走轮电机伺服驱动模块91驱动轮毂电机转动，从而获得希望的行进速度和在俯仰方向的平衡；

3.6、根据独轮车当前时刻在左右方向上实际倾角与希望倾角之间的误差值，计算出平衡轮(42)的控制量，驱动平衡轮产生一个顺时针或逆时针方向的角加速度，获得一个在XOZ平面内逆时针或顺时针方向的转矩，获得一个将独轮车扶正的力，使得独轮车的实际倾斜角度与希望倾斜角度一致，取得动态平衡。

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