CN102815357B - 一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车 - Google Patents
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Abstract
一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车，属于智能独轮车技术领域，其特征在于，含有多个传感器、惯性平衡轮、车体、控制手柄和控制器，控制器中的一个DSP处理器根据前后方向的俯仰角对行走轮实行按控制步长的逐步加减速控制；对左右方向横滚角实行按步长的逐步改变平衡力矩控制，以达到侧平衡目的。本发明具有侧平衡控制和逐步控制的特点，实现了载人独轮车自平衡和加减速控制，使得载人独轮车可以平稳行驶。
Description
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
Segway系列两轮载人车在机场安保等领域发挥着重要作用，但是对于一些狭窄区域该两轮载人车没办法到达，为此Invenst公司开发了solowheel独轮载人车，独轮载人车和两轮载人车比起来具有体积小方便携带等优点，因而更加方便使用。众所周知，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（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。但遗憾的是solowheel没有侧平衡能力，所以需要长时间训练才可以使用。
申请号为200810000744的发明专利提出了一种基于姿态控制的平衡式独轮小车，但是显然该独轮小车没有可以实现侧平衡的机构，文献《一种独轮机器人***的动力学建模与平衡控制》主要对独轮机器人进行动力学建模，没有对实现独轮机器人平衡的机构加以详细阐述，所提出的控制方案也是在控制领域中常有的对于数学模型的仿真控制，而且文献中亦没有公开控制方案的具体实施步骤和方法。我们在先申请的专利《一种独轮机器人***及其控制方法》首先公开了使用惯性飞轮实现独轮机器人的侧平衡的机构，文献《独轮机器人姿态控制研究》和《六自由度独轮机器人本体研制及动力学控制方法研究》借鉴使用，并将惯性飞轮替换成垂直转子实现侧平衡。我们在先申请的专利《自平衡载人独轮车***及控制方法》（申请号为201010579927.7）专利中对机械结构的连接关系，信号的传递流程，机电的连接，具体的控制步骤均未作出充分的公开，而且独轮车的侧平衡控制不是本领域技术人员的公有知识故借助之前的文献和专利无法实现对独轮载人自平衡车得到控制，基于以上调研，为弥补之前发明的不足，我们特提出新的发明专利请求。
本发明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，从而使得无须专门训练即可简便地骑行独轮车。
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***，其前后控制基于本领域内工作的前后移动行走轮原理，侧向平衡控制基于以下原理和实施方式：
1角动量守恒，请参阅图5，将独轮车抽象为惯性平衡轮和车体两个部分，依据角动量守恒，当惯性平衡轮顺时针旋转时，为保证角动量守恒，车体将逆时针旋转，这样就将独轮车从向右侧倾斜控制到竖直平衡位置。
2牛顿第二定律，请参阅图5，当独轮车顺时针倾斜（偏向右侧）时，平衡轮6轮毂电机对平衡轮6输出顺时针方向力矩，驱动平衡轮6顺时针旋转，依据牛顿第二定律平衡轮6将给轮毂电机一个逆时针方向的反力矩，使得独轮车整体逆时针旋转至平衡位置（即Φ为0）。一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车，其特征在于，含有：多个传感器、惯性平衡轮6、车体16,3、行走轮1、控制手柄13、伺服驱动器8,9和控制器10，其中：
多个所述传感器，包括：行走轮测速编码器2、平衡轮测速编码器7、控制手柄扭转角度编码器14和陀螺仪12，其中：
行走轮测速编码器2和所述的行走轮1同轴连接，用于测量所述独轮车的行驶速度V，且行走轮行驶速度V为正时表示前行，为负时表示后退，
平衡轮测速编码器7和所述的平衡轮6同轴连接，用于测量所述平衡轮6的转速，驾驶员面对前进方向时逆时针方向为正，顺时针方向为负，
控制手柄扭转角度编码器14与所述的控制手柄13同轴连接，顺时针扭转时，扭转角度γ为正；逆时针方向扭转时，扭转角度γ为负，用于给定所述独轮车的期望行驶速度给定值VE，所述控制器通过扭转角度γ与期望行驶速度VE映射关系计算得出所述的期望行驶速度VE，且VE为正表示前进，VE为负表示后退，
陀螺仪12用于测量所述独轮车在前后方向的俯仰角度θ和作用左右方向的横滚角度Φ，其中俯仰角θ为正表示向前倾斜，反之为向后倾斜；驾驶员时面对前进方向时横滚角Φ为正表示逆时针向左倾斜，反之表示向右倾斜，
惯性平衡轮6，简称平衡轮6，下同，同轴连接着一个平衡轮驱动电机，用于实现侧向平衡控制：驾驶员面对前进方向时当所述独轮车逆时针向左侧倾斜时，所述的平衡轮驱动电机对所述平衡轮6输出逆时针方向转矩，驱动所述平衡轮6逆时针方向加速旋转，同时所述平衡轮6将给平衡轮驱动电机一个顺时针方向的反力矩，使车体顺时针方向旋转至竖直平衡位置，反之亦然，
车体，包括车架16和载人踏板3，其中：
车架16，是中空的，分割成下述几个仓，从下到上分别为电池仓4、储物仓5、平衡轮仓和器件仓，其中：
电池仓4，内装电池向各个传感器、伺服驱动器、伺服电机和控制器供电，
器件仓，设有：平行固定在所述器件仓底面上的行走轮伺服驱动器8和平衡轮伺服驱动器9，位于所述行走轮轮伺服驱动器8和平衡轮伺服驱动器9上方且固定在所述器件仓内仓壁上的控制器10，位于所述控制器10正上方的陀螺仪12，
载人踏板3，对称地安装在所述电池仓4下方的车架的左右两侧，各自与所述的车架16用活页连接，
行走轮1，同轴连接一个行走轮驱动电机，所述行走轮1与地面点接触，且嵌入所述车架左右内侧，且与连接轴固定连接，所述行走轮1的轴线与所述平衡轮6的轴线在空间正交，
控制手柄13，安装在所述器件仓左右两侧，同轴固定连接着一个所述控制手柄角度扭转编码器14，用于将所述控制手柄的扭转角度输入到所述控制器10中，
控制器单元，设有：DSP处理器10，显示屏15、行走轮伺服驱动器8和平衡轮伺服驱动器9，其中：
显示屏15，输入与所述DSP处理器10的输出显示信号相连，所述显示屏15位于所述器件仓上表面上，用于显示实时电池电量，车速等信息，
行走轮伺服驱动器8，用于驱动所述行走轮驱动电机的伺服驱动器，输入端与所述DSP处理器10的行走轮1控制信号输出端相连，输出端与所述行走轮驱动电机相连且向其输出驱动电压信号，
平衡轮伺服驱动器9，用于驱动所述平衡轮驱动电机的伺服驱动器，输入端与所述DSP处理器10的平衡轮6控制信号输出端相连，输出端与所述平衡轮驱动电机相连且向其输出驱动电压信号，
DSP处理器10，设有控制手柄扭转角度信号输入端，与所述控制手柄扭转角度编码器14的输出端相连；平衡轮速度信号输入端，与所述平衡轮测速编码器7的输出端相连；行走轮速度信号输入端，与行走轮测速编码器2输出端相连；陀螺仪12信号输入端，与所述陀螺仪信号输出端相连，
所述DSP处理器10依次按以下步骤实现所述独轮车的自平衡载人行驶控制：
步骤（1），设定左手笛卡尔坐标系：
坐标系原点位于所述行走轮与地面的接触点上
Z轴与所述车架的轴线相重合，向上为正，
X轴与行走轮轴线重合，向左为正，
Y轴与X轴和Z轴正交，前进方向为正，
所述俯仰角θ，在YOZ平面上，向前为正，向后为负，
所述左右侧横滚角Φ，在XOZ平面上，驾驶员面对前进方向时向左为正，向右为负，步骤（2）DSP处理器初始化，设定以下参数：
采用时间间隔Δt=0.01S，行走轮电机控制量步长Δux=0.2V，平衡轮电机控制量步长Δup=0.02V，俯仰角容许控制误差ξθ=0.5°，横滚角容许控制误差ξΦ=0.2°，
所述独轮车平衡静止时，Φ0=0，θ0=0，γ0=0，V0=0，
预置所述控制手柄扭转角度γ与期望行驶速度VE的函数关系，VE=k1γ为正比例函数关系，k1∈[1,20]，γ∈[-20,50]，
预置所述期望俯仰角θE与行驶速度VE的函数关系，θE=15×(arctanVE)/(0.5π)（VE∈[-20,50]，
预置所述期望横滚角ΦE=0，
步骤（3）在一个控制周期内，所述DSP处理器读取陀螺仪实时的俯仰角θ和横滚角Φ，
步骤（4），所述的控制手柄扭转角度编码器将扭转角度γ输入DSP处理器，所述DSP处理器根据输入扭转角度γ，根据预置的γ-VE函数关系计算出期望的行驶速度VE，然后根据预置的VE-θE函数关系计算出期望的俯仰角θE，
步骤（5），若Φ>30°或θ>45°,则停止行驶，平衡轮停止旋转，否则进入步骤（6）
步骤（6），所述DSP处理器根据实时测量的θ和Φ及计算θE进行如下控制：
若|Φ-0|≤ξΦ且|θ-θE|≤ξθ则原速行驶，行走轮控制量和平衡轮控制量保持不变，若|Φ-0|≥ξΦ时,则判断Φ符号，若为正，则平衡轮控制量增加一个步长Δup，使得平衡轮逆时针加速旋转；若为负，则平衡轮控制量减小一个步长Δup，使得平衡轮顺时针加速旋转，若|θ-θE|≥ξθ时,先判断(θ-θE)符号，若为正，则行走轮控制量减小一个步长Δux，使得行走轮减速；若为负，则行走轮控制量增大一个步长Δux，使得行走轮加速，
步骤（6），一个控制周期内程序终止，转步骤（3）循环。
当驾驶员不扭转控制手柄13时，独轮车将保持原地静止平衡状态。
所述的控制器和陀螺仪之间安装有加速度计传感器，用于测量所述独轮车在前后方向的俯仰角加速度和作用左右方向的横滚角加速度，且加速度计信号输出端与所述DSP处理器信号输入端相连，在上述的流程步骤（3）中，所述的DSP处理器在读取实时的陀螺仪数据同时读取加速度计的数据，并用加速度计的数据校正陀螺仪的数据，通过数据融合算法计算出精度更高的俯仰角θ和横滚角Φ。加速度计11是用于校正陀螺仪12的累积误差，通过卡尔曼滤波预测算法可以获取准确的独轮车姿态，即俯仰角θ和横滚角Φ，具体算法为本领域内成熟的算法，具体请见秦永元《惯性导航》一书。
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；
其中1行走轮；2行走轮测速编码器；3载人踏板；4电池；5储物仓；6平衡轮；7平衡轮测速编码器；8行走轮伺服驱动器；9平衡轮伺服驱动器；10控制器；11加速度计；12陀螺仪；13控制手柄；14控制手柄角度编码器；15显示屏
图3为载人自平衡独轮车的电***结构图；
图4为独轮车***在前后方向的平衡控制原理；
图5为独轮车***在左右方向的平衡控制原理；
图6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平面为独轮车在左右方向上倾侧角度的平面，且其横滚角为Φ；YOZ平面为独轮车在前后方向上倾斜角度的平面，且其俯仰角为θ，当独轮车定点平衡（静止站立）时，控制器保持横滚角Φ和俯仰角θ均为零，即车体的轴线与Z轴重合。
本发明的载人自平衡独轮车***包括行走轮单元和平衡轮单元两部分。
请参阅图2所示，机架16构成机器人的主体框架，包括位于机架下部的用于安放电池4的电源仓，位于机架中下部的用来储物的储物仓5，位于机架中上部的用于安放平衡轮（6）的平衡轮箱，位于机架上部的器件仓，以及用于乘员站立的载人踏板3，用于控制独轮车前进后退速度的控制手柄13等。
行走轮机构采用驱动电机的独轮行走机构，安装在机架的下方，行走轮1在平面内转动，使独轮车实现向前向后的运动。
平衡轮6采用轮毂电机驱动，安装在机架上部的平衡轮箱内，平衡轮6的轴线和行走轮1的轴线在空间正交，平衡轮6在平面内转动，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，控制单元，执行组件和电源等4个部分，如图3所示。
请参阅图2，传感器组件包括位于器件仓内的加速度计11、陀螺仪12和行走轮测速编码器2、平衡轮测速编码器7、控制手柄角度编码器14。其中加速度计11、陀螺仪12用于获取独轮车的姿态信息，它们用于检测独轮车在平面和平面内的倾角信息，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。
请参阅图2所示，电池4位于机架16中下部的电源舱内，由锂电池和相应的变压装置构成，用于向控制器10、行走轮1轮毂电机和平衡轮6轮毂电机供电，控制器10分别向行走轮测速编码器2、平衡轮测速编码器7、行走轮伺服驱动器8、平衡轮伺服驱动器9、加速度计11、陀螺仪12、控制手柄角度编码器14和人机交互界面15供电。
请参阅图3，载人自平衡独轮车的控制单元采用数字信号处理器（DSP）作为控制器。
请参阅图4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期望倾角）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θ与期望倾角θE之间的差值，进行行走轮控制量按步长逐步变化控制，驱动行走轮1加减速，使得独轮车实际俯仰角与期望俯仰角的差的绝对值在容许误差ξθ范围内（使得独轮车在YOZ平面内的实际倾斜角度与期望倾斜角度几乎一致），从而取得良好的动态平衡效果。
请参阅图5关于独轮车在左右方向进行平衡控制的原理，图中平衡轮箱的箱盖打开，显示飞轮及其轮毂电机。（面对独轮车前进方向）当独轮车向左侧倾倒，即在XOZ平面内向逆时针方向倾斜一个角度Φ，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Φ与期望倾角ΦE之间的差，进行平衡轮控制量按步长逐步增大平衡轮控制量，驱动平衡轮6产生一个逆时针方向的正的角加速度，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Φ与期望倾斜角度ΦE一致，从而取得良好的动态平衡效果。当独轮车向右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。
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1和平衡轮6均采用驱动电机控制其正反转，在直行车体偏向一侧或转弯时，平衡轮6会作对应方向的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13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，只要传感器组件中的陀螺仪和加速度计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***就会立即自动待机，使行走轮1和平衡轮6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1装配到机架16的下部，行走轮1的轴线与X轴平行，并用螺母紧固；将平衡轮6及其轮毂电机组件装配到机架16中上部的平衡轮箱中，平衡轮6的轴线与Y轴平行，盖上平衡轮箱盖并用螺母紧固；将操控手柄13和载人踏板3分别装到机架16的顶部和下部，并用螺钉紧固。
将传感器组件，包括用于检测独轮车***在XOZ和YOZ平面内倾角的陀螺仪和加速度计，安装到机架上部的器件舱中，引出连接线；将控制器，以及用于驱动行走轮1轮毂电机的行走轮伺服驱动器8和用于驱动平衡轮6驱动电机的平衡轮伺服驱动器9也安装到机架上部的器件舱中，引出连接线并盖好舱盖；将电源4（含锂电池和相应的变压装置）安装到电源舱中，引出连接线并盖好舱盖；将传感器组件中的行走轮测速编码器2、平衡轮测速编码器7、加速度计11、陀螺仪12、控制手柄角度编码器14的连接到控制器10；将控制器10连接到行走轮伺服驱动器8、平衡轮伺服驱动器9和显示屏15。
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6所示：步骤（1），开机并设定左手笛卡尔坐标系：
坐标系原点位于所述行走轮与地面的接触点上
Z轴与所述车架的轴线相重合，向上为正，
X轴与行走轮轴线重合，向左为正，
Y轴与X轴和Z轴正交，前进方向为正，
所述俯仰角θ，在YOZ平面上，向前为正，向后为负，
所述左右侧横滚角Φ，在XOZ平面上，驾驶员面对前进方向时向左为正，向右为负，步骤（2）DSP处理器初始化，设定以下参数：
采用时间间隔Δt=0.01S，行走轮电机控制量步长Δux=0.2V，平衡轮电机控制量步长Δup=0.02V，俯仰角容许控制误差ξθ=0.5°，横滚角容许控制误差ξΦ=0.2°，
所述独轮车平衡静止时，Φ0=0，θ0=0，γ0=0，V0=0，
预置所述控制手柄扭转角度γ与期望行驶速度VE的函数关系，VE=k1γ为正比例函数关系，k1∈[1,20]，γ∈[-20,50]，
预置所述期望俯仰角θE与行驶速度VE的函数关系，θE=15×(arctanVE)/(0.5π)（VE∈[-20,50]，
预置所述期望横滚角ΦE=0，
步骤（3）在一个控制周期内，所述DSP处理器读取陀螺仪实时的俯仰角θ和横滚角Φ，
步骤（4），所述的控制手柄扭转角度编码器将扭转角度γ输入DSP处理器，所述DSP处理器根据输入扭转角度γ，根据预置的γ-VE函数关系计算出期望的行驶速度VE，然后根据预置的VE-θE函数关系计算出期望的俯仰角θE，
步骤（5），若Φ>30°或θ>45°,则停止行驶，平衡轮停止旋转，否则进入步骤（6）
步骤（6），所述DSP处理器根据实时测量的θ和Φ及计算θE进行如下控制：
若|Φ-0|≤ξΦ且|θ-θE|≤ξθ则原速行驶，行走轮控制量和平衡轮控制量保持不变，
若|Φ-0|≥ξΦ时,则判断Φ符号，若为正，则平衡轮控制量增加一个步长Δup，使得平衡轮逆时针加速旋转；若为负，则平衡轮控制量减小一个步长Δup，使得平衡轮顺时针加速旋转，若|θ-θE|≥ξθ时,先判断(θ-θE)符号，若为正，则行走轮控制量减小一个步长Δux，使得行走轮减速；若为负，则行走轮控制量增大一个步长Δux，使得行走轮加速，
步骤（6），一个控制周期内程序终止，转步骤（3）循环。
显然当驾驶员不扭转控制手柄时，独轮车将保持原地静止平衡状态。
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13，站立到载人踏板3上；扭转操控手柄13，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13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，独轮车是一个立于平面的不受限倒立摆，独轮车可能偏离轴向四周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***在平面内运动和静止过程中，在前后方向（平面）和左右方向（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（平面）和左右（平面）2个方向的倒立摆，而segway则只是在前后（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 (2)
1.一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车，包含惯性平衡轮(6)，简称平衡轮(6)，下同，同轴连接着一个平衡轮驱动电机，用于实现侧向平衡控制：驾驶员面对前进方向时当所述独轮车逆时针向左侧倾斜时，所述的平衡轮驱动电机对所述平衡轮(6)输出逆时针方向转矩，驱动所述平衡轮(6)逆时针方向加速旋转，同时所述平衡轮(6)将给平衡轮驱动电机一个顺时针方向的反力矩，使车体顺时针方向旋转至竖直平衡位置，反之亦然；车体，包括车架(16)和载人踏板(3)；行走轮(1)，同轴连接一个行走轮驱动电机，所述行走轮(1)与地面点接触，且嵌入所述车架左右内侧，且与连接轴固定连接，所述行走轮(1)的轴线与所述平衡轮(6)的轴线在空间正交；其特征在于，含有：多个传感器，包括：行走轮测速编码器(2)、平衡轮测速编码器(7)、控制手柄扭转角度编码器(14)和陀螺仪(12)，其中：
行走轮测速编码器(2)和所述的行走轮(1)同轴连接，用于测量所述独轮车的行驶速度V，且行走轮行驶速度V为正时表示前行，为负时表示后退，
平衡轮测速编码器(7)和所述的平衡轮(6)同轴连接，用于测量所述平衡轮(6)的转速，驾驶员面对前进方向时逆时针方向为正，顺时针方向为负，
控制手柄扭转角度编码器(14)与所述的控制手柄(13)同轴连接，顺时针扭转时，扭转角度γ为正；逆时针方向扭转时，扭转角度γ为负，用于给定所述独轮车的期望行驶速度VE，所述控制器通过扭转角度γ与期望行驶速度VE映射关系计算得出所述的期望行驶速度VE，且VE为正表示前进，VE为负表示后退，
陀螺仪(12)用于测量所述独轮车在前后方向的俯仰角度θ和作用左右方向的横滚角度Φ，其中俯仰角θ为正表示向前倾斜，反之为向后倾斜；驾驶员面对前进方向时横滚角Φ为正表示逆时针向左倾斜，反之表示向右倾斜，
车架(16)，是中空的，分割成下述几个仓，从下到上分别为电池仓(4)、储物仓(5)、平衡轮仓和器件仓，其中：
电池仓(4)，内装电池向各个传感器、伺服驱动器、伺服电机和控制器供电，
器件仓，设有：平行固定在所述器件仓底面上的行走轮伺服驱动器(8)和平衡轮伺服驱动器(9)，位于所述行走轮伺服驱动器(8)和平衡轮伺服驱动器(9)上方且固定在所述器件仓内仓壁上的控制器(10)，位于所述控制器(10)正上方的陀螺仪(12)，
载人踏板(3)，对称地安装在所述电池仓(4)下方的车架的左右两侧，各自与所述的车架(16)用活页连接，
控制手柄(13)，安装在所述器件仓左右两侧，同轴固定连接着一个所述控制手柄扭转角度编码器(14)，用于将所述控制手柄的扭转角度输入到所述控制器(10)中，
控制器单元，设有：DSP处理器(10)，显示屏(15)、行走轮伺服驱动器(8)和平衡轮伺服驱动器(9)，其中：
显示屏(15)，输入与所述DSP处理器(10)的输出显示信号相连，所述显示屏(15)位于所述器件仓上表面上，用于显示实时电池电量，车速信息，
行走轮伺服驱动器(8)，用于驱动所述行走轮驱动电机的伺服驱动器，输入端与所述DSP处理器(10)的行走轮(1)控制信号输出端相连，输出端与所述行走轮驱动电机相连且向其输出驱动电压信号，
平衡轮伺服驱动器(9)，用于驱动所述平衡轮驱动电机的伺服驱动器，输入端与所述DSP处理器(10)的平衡轮(6)控制信号输出端相连，输出端与所述平衡轮驱动电机相连且向其输出驱动电压信号，
DSP处理器(10)，设有控制手柄扭转角度信号输入端，与所述控制手柄扭转角度编码器(14)的输出端相连；平衡轮速度信号输入端，与所述平衡轮测速编码器(7)的输出端相连；行走轮速度信号输入端，与行走轮测速编码器(2)输出端相连；陀螺仪(12)信号输入端，与所述陀螺仪信号输出端相连，
所述DSP处理器(10)依次按以下步骤实现所述独轮车的自平衡载人行驶控制：
步骤(1)，设定左手笛卡尔坐标系：
坐标系原点位于所述行走轮与地面的接触点上
Z轴与所述车架的轴线相重合，向上为正，
X轴与行走轮轴线重合，向左为正，
Y轴与X轴和Z轴正交，前进方向为正，
所述俯仰角θ，在YOZ平面上，向前为正，向后为负，
所述左右侧横滚角Φ，在XOZ平面上，驾驶员面对前进方向时向左为正，向右为负，
步骤(2)DSP处理器初始化，设定以下参数：
采用时间间隔Δt＝0.01S，行走轮电机控制量步长Δux＝0.2V，平衡轮电机控制量步长Δup＝0.02V，俯仰角容许控制误差ξθ＝0.5°，横滚角容许控制误差ξΦ＝0.2°，
所述独轮车平衡静止时，Φ0＝0，θ0＝0，γ0＝0，V0＝0，
预置所述控制手柄扭转角度γ与期望行驶速度VE的函数关系，VE＝k1γ为正比例函数关系，k1∈[1,20]，γ∈[-20,50]，
预置期望俯仰角θE与期望行驶速度VE的函数关系，θE＝15×(arctanVE)/(0.5π)，VE∈[-20,50]，
预置期望横滚角ΦE＝0，
步骤(3)在一个控制周期内，所述DSP处理器读取陀螺仪实时的俯仰角θ和横滚角Φ，
步骤(4)，所述的控制手柄扭转角度编码器将扭转角度γ输入DSP处理器，所述DSP处理器根据输入扭转角度γ，根据预置的γ-VE函数关系计算出期望的行驶速度VE，然后根据预置的VE–θE函数关系计算出期望的俯仰角θE，
步骤(5)，若Φ>30°或θ>45°,则停止行驶，平衡轮停止旋转，否则进入步骤(6)
步骤(6)，所述DSP处理器根据实时测量的θ和Φ及计算θE进行如下控制：
若|Φ-0|≤ξΦ且|θ-θE|≤ξθ则原速行驶，行走轮控制量和平衡轮控制量保持不变，
若|Φ-0|≥ξΦ时,则判断Φ符号，若为正，则平衡轮控制量增加一个步长Δup，使得平衡轮逆时针加速旋转；若为负，则平衡轮控制量减小一个步长Δup，使得平衡轮顺时针加速旋转，
若|θ-θE|≥ξθ时,先判断(θ-θE)符号，若为正，则行走轮控制量减小一个步长Δux，使得行走轮减速；若为负，则行走轮控制量增大一个步长Δux，使得行走轮加速，
步骤(6)，一个控制周期内程序终止，转步骤(3)循环。
2.根据权利要求1所述的基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车，其特征在于所述的控制器和陀螺仪之间安装有加速度计传感器，用于测量所述独轮车在前后方向的俯仰角加速度和作用左右方向的横滚角加速度，且加速度计信号输出端与所述DSP处理器信号输入端相连；在上述的流程步骤(3)中，所述的DSP处理器在读取实时的陀螺仪数据同时读取加速度计的数据，并用加速度计的数据校正陀螺仪的数据，通过数据融合算法计算出精度更高的俯仰角θ和横滚角Φ。
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