CN111284629B - 一种自平衡自行车及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自平衡自行车，其特征在于，包括车体，车体与主控制器、检测***、平衡***和转向***连接；检测***包括陀螺仪，用于检测车体的水平状态，并将检测信息传输至主控制器；转向***包括转向电机，转向电机通过减速器与车体的车头连接，控制车头转动角度和速度；平衡***包括平衡电机、旋转运动机构和配重块，旋转运动机构的一端与配重块连接，另一端与平衡电机连接，平衡电机与主控制器电连接；主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至平衡***和转向***；解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡。

Description

一种自平衡自行车及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种自平衡自行车及其控制方法，具体地说是一种可以实现自主平衡的自行车和控制方法，属于机电控制技术领域。
背景技术
自行车是人们日常生活中最常见的交通工具之一，纵观自行车的发展史，在自行车的发展演化过程中，虽然结构简单，但其却蕴含着丰富的科学问题。由于自行车与支撑路面仅有两个接触点，因此从物理本质上是不稳定的，类似于“倒立摆”结构，但是当人为控制自行车，或自行车在适当的速度条件下，自行车却能实现真正的“自行”，呈现了完美的动力学稳定性问题。
目前对于自行车的自平衡的研究主要针对力学模型的建立以及动力学运动学的分析，已有一些研究团队实现在常规自行车上改装，可实现自行车的简单运动平衡，但其运动平衡仅仅针对于自行车向前行驶的情况，且在低速和静止条件下，仍无法实现自行车的自平衡。再有用于验证自行车动平衡的TMS自行车，可在一定的速度下无需任何辅助控制，仅利用自身结构特性实现车体的运动自平衡，对于静止和低速情形，仍无法实现自平衡，且其结构特殊无法正常骑行，仅用于实验验证。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
第一方面，本发明提供了一种自平衡自行车，包括车体，车体与主控制器、检测***、平衡***和转向***连接；检测***包括陀螺仪，用于检测车体的水平状态，并将检测信息传输至主控制器；
转向***包括转向电机，转向电机通过减速器与车体的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡***包括平衡电机、旋转运动机构和配重块，旋转运动机构的一端与配重块连接，另一端与平衡电机连接，平衡电机与主控制器电连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至平衡***和转向***。
第二方面，本发明提供了一种自平衡自行车的控制方法，具体步骤如下：
按下电源总开关启动***，通过主控制器查看***的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测***的陀螺仪，并实时读取检测***的陀螺仪和测速模块的数据；
建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机的转角δ和角速度β，以及平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α；
通过控制转向电机的转角δ和角速度β使得自行车车体的重心回到车体的正下方；通过控制平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α可以提供车体在左右方向上的回复力f，通过调节车体的重心以及产生车体左右方向上的回复力 f可以维持车体的平衡，以此达到自行车的自平衡。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的自平衡自行车通过转向电机和可以产生左右方向回复力的平衡装置来调节自行车的平衡，解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡，在车体的参数发生变化时可以通过上位机软件和无线遥控设备实时动态的调整运动学方程参数，使得***再次达到自平衡状态，大大提高了自平衡自行车的灵活性。
2、本发明还解决了车体参数变化就必须重新建模分析的问题，大大提高了模型的鲁棒性，并可以通过改变平衡摆动装置或者平衡飞轮的配重块的数量和位置来改变产生左右回复力的大小，以此来改变自平衡***的抗扰性，使得自平衡自行车可以适应其他复杂路面。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
附图1为本发明的自平衡自行车的结构示意图；
附图2为本发明实施例1中平衡摆动装置的结构示意图；
附图3为本发明实施例1中平衡飞轮的结构示意图；
附图4为本发明实施例1中伺服传动模块的结构示意图；
附图5为本发明的运动参数示意图；
图中，1、自行车车体，2、固定架，3、驱动***，4、电池，5、平衡摆动装置，5.1、偏心摆动体，5.2、配重块，5＇、平衡飞轮，5.1＇、旋转飞轮，5.2＇、飞轮配重块，6、无刷轮毂行走电机，6＇、伺服传动模块，6.1＇、伺服电机，6.2＇、同步带传动机构，7、测速模块，8、平衡电机，9、陀螺仪，10、控制***，11、电源总开关，12、转向电机，13、上位控制机软件，14、显示器，15、无线遥控设备，16、中空减速器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种自平衡自行车，是由自行车车体1、固定架2、转向电机12、中空减速器16、陀螺仪9、平衡电机8、平衡摆动装置5、测速模块7、控制***10、驱动***3、无刷轮毂行走电机6、显示器14、电源总开关12、电池4、无线遥控设备15和上位机控制软件13组成的，转向电机12与中空减速器16的输入轴连接，中空减速器16的输出轴与自行车车体1的车头转轴连接，中空减速器16 的本体与的自行车车体1的车架固定，使得转向电机12可以控制自行车车体1转动车头的方向，固定架2固定到自行车车体1的适当位置，用于固定控制***10、驱动***3、陀螺仪9和平衡电机8，陀螺仪9与固定架2的固定平面与水平面平行，平衡电机8的输出轴与平衡摆动装置5连接，使得平衡电机8可以带动平衡摆动装置5运动，无刷轮毂行走电机6与自行车车体1的后车轮转轴连接，带动自行车车体1运动，使得自行车车体1可以前进和后退，显示器 14固定到自行车车体1的适当位置，使得操作者方便操作，测速模块7固定到自行车车体1的后车轮两侧，用于测量自行车的运动速度，电池4固定到自行车车体1的适当位置，为转向电机12、陀螺仪9、平衡电机8、显示器14、测速模块7、控制***10、驱动***3供电，电源总开关11控制整个***的电源通断，显示器14、测速模块7、驱动***3、陀螺仪9通过控制线与控制*** 10连接，通过无线遥控设备15和上位机控制软件13可以对***进行控制。
平衡摆动装置5是由偏心摆动体5.1和配重块5.2组成的，配重块5.2固定到偏心摆动体5.1的远心端，根据自行车1的质量以及重心的变化，可以改变的配重块5.2的数量。
作为可能的一些实现方式，平衡摆动装置5也能够为平衡飞轮5＇，平衡飞轮5＇是由旋转飞轮5.1＇和飞轮配重块5.2＇组成的，根据自行车的质量以及重心的变化，可以改变旋转飞轮5.1＇上的飞轮配重块5.2＇的数量和固定位置。
作为可能的一些实现方式，无刷轮毂行走电机6能够为伺服传动模块6＇，伺服传动模块6＇是由伺服电机6.1＇和同步带传动机构6.2＇组成的，同步带传动机构6.2＇一端与自行车车体1的后轮转轴连接，另一端与伺服电机6.1＇的输出轴连接，伺服电机6.1＇固定到自行车车体1的适当位置，通过伺服电机 6.1＇和同步带传动机构6.2＇带动自行车车体1的前进和后退。
作为可能的一些实现方式，无线遥控设备15能够为安装手机控制软件的智能手机，可通过智能手机的控制软件对自行车进行控制。
实施例2
一种自平衡自行车的控制方法，具体步骤如下：
a.按下电源总开关11启动***，通过显示屏14上的上位机控制软件13的界面查看***的各个部分的供电及参数信息是否正常；
b.通过观察上位机控制软件13的界面上的陀螺仪9的信息并摆动自行车车体1查看陀螺仪9的信息是否存在偏差，若果存在偏差则通过上位机控制软件 13的界面进行陀螺仪9的校准；
c.通过上位机控制软件13或者无线遥控设备15启动程序，此时，上位机控制软件13会实时读取陀螺仪9和测速模块7的数据，获得自行车车体1的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ，通过建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机的转角δ和角速度β，以及平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α；
d.通过控制转向电机12的转角δ和角速度β可以使得自行车车体1的重心回到车体的正下方，通过控制平衡电机8的位置φ、角速度ω和角加速度α可以提供自行车车体1在左右方向上的回复力f，通过调节自行车车体1的重心以及产生自行车车体1左右方向上的回复力f可以维持自行车车体1的平衡，以此达到自行车的自平衡；
e.如果改变了自行车车体1的质量分布会使得步骤c里的运动学模型的参数发生变化，此时，需要通过上位机控制软件13或者无线遥控设备15动态的调节运动学模型的参数系数值，直到自行车车体1重新恢复自平衡能力；
f.对于不同的路面，可以通过改变平衡摆动装置5或者平衡飞轮5＇的配重块5.1或者飞轮配重块5.1＇的数量和位置来改变步骤b里产生的自行车车体1 左右方向上的回复力f，提高自平衡***的抗扰性和适应性；
g.通过步骤a-e可以使得自行车车体1实现完全的自平衡，包括运动平衡和静止平衡，通过无线遥控设备15便可以控制自行车前进、后退、加减速。
在实际控制中，上位机控制软件13会根据以下运动学方程进行控制：
Figure RE-GDA0002472630180000071
其中
Figure RE-GDA0002472630180000072
θ代表自行车车体1的后框架倾角，δ代表车把转角，φr代表后轮转角，ys代表平衡摆动装置5的线位移。
实施例3
一种自平衡自行车，包括车体，车体与主控制器、检测***、平衡***和转向***连接；检测***包括陀螺仪，用于检测车体的水平状态，并将检测信息传输至主控制器；
转向***包括转向电机，转向电机通过减速器与车体的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡***包括平衡电机、旋转运动机构和配重块，旋转运动机构的一端与配重块连接，另一端与平衡电机连接，平衡电机与主控制器电连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至平衡***和转向***。
所述旋转运动机构为偏心摆动体，配重块固定到偏心摆动体的远心端，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。所述旋转运动机构为旋转飞轮，配重块与旋转飞轮的旋转中心有设定距离，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。
所述车体还与供电***连接，供电***与主控制器、检测***、平衡***和转向***电连接，并提供电能。所述检测***还包括测速模块，测速模块固定安装在车体的后车轮两侧，用于测量自行车的运动速度。所述车体还与行走***连接，所述行走***包括无刷轮毂行走电机，无刷轮毂行走电机与车体的后车轮转轴连接。
主控制器包括显示屏和通讯模块，显示屏用于查看***参数信息，通讯模块用于实现与无线遥控设备的远程通讯。所述转向***还包括中空减速器，所述转向电机与中空减速器的输入轴连接，中空减速器的输出轴与车体的车头转轴连接，中空减速器的底座固定在车体上。
一种自平衡自行车的控制方法，具体步骤如下：
按下电源总开关启动***，通过主控制器查看***的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测***的陀螺仪，并实时读取检测***的陀螺仪和测速模块的数据；
建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机的转角δ和角速度β，以及平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α；
通过控制转向电机的转角δ和角速度β使得自行车车体的重心回到车体的正下方；通过控制平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α可以提供车体在左右方向上的回复力f，通过调节车体的重心以及产生车体左右方向上的回复力 f可以维持车体的平衡，以此达到自行车的自平衡。
主控制器根据以下运动学方程进行控制：
Figure RE-GDA0002472630180000091
其中
Figure RE-GDA0002472630180000092
θ代表自行车车体的后框架倾角，δ代表车把转角，φr代表后轮转角，ys代表平衡摆动装置的线位移。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种自平衡自行车，其特征在于，包括车体，车体与主控制器、检测***、平衡***和转向***连接；检测***包括陀螺仪，用于检测车体的水平状态，并将检测信息传输至主控制器；
转向***包括转向电机，转向电机通过减速器与车体的车头连接，控制车头转动角度和速度；
平衡***包括平衡电机、旋转运动机构和配重块，旋转运动机构的一端与配重块连接，另一端与平衡电机连接，平衡电机与主控制器电连接；
主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至平衡***和转向***；
所述主控制器根据以下运动学方程进行处理后生成控制信号：
Figure FDA0003216094720000011
其中
Figure FDA0003216094720000012
θ代表自行车车体的后框架倾角，δ代表车把转角，φr代表后轮转角，ys代表平衡摆动装置的线位移；mij(θ,δ,ys),i,j＝1,…,4代表自行车***的质量矩阵；
Figure FDA0003216094720000013
i,j,k＝1,…,4代表
Figure FDA0003216094720000014
二次项前的系数；Pi(θ,δ,ys),i＝1,…,4代表由重力引起的广义力项；
Figure FDA0003216094720000015
Figure FDA0003216094720000016
和
Figure FDA0003216094720000017
均代表自行车的广义速度。
2.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述旋转运动机构为偏心摆动体，配重块固定到偏心摆动体的远心端，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。
3.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述旋转运动机构为旋转飞轮，配重块与旋转飞轮的旋转中心有设定距离，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。
4.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述车体还与供电***连接，供电***与主控制器、检测***、平衡***和转向***电连接，并提供电能。
5.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述检测***还包括测速模块，测速模块固定安装在车体的后车轮两侧，用于测量自行车的运动速度。
6.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述车体还与行走***连接；所述行走***包括无刷轮毂行走电机，无刷轮毂行走电机与车体的后车轮转轴连接，或，所述行走***包括伺服传动模块，伺服传动模块由伺服电机和同步带传动机构组成。
7.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述主控制器包括显示屏和通讯模块，显示屏用于查看***参数信息，通讯模块用于实现与无线遥控设备的远程通讯。
8.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述转向***还包括中空减速器，所述转向电机与中空减速器的输入轴连接，中空减速器的输出轴与车体的车头转轴连接，中空减速器的底座固定在车体上。
9.一种如权利要求1-8任一所述的自平衡自行车的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
按下电源总开关启动***，通过主控制器查看***的各个部分的供电及参数信息是否正常；
通过主控制器校准检测***的陀螺仪，并实时读取检测***的陀螺仪和测速模块的数据；
建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机的转角δ和角速度β，以及平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α；
通过控制转向电机的转角δ和角速度β使得自行车车体的重心回到车体的正下方；通过控制平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α可以提供车体在左右方向上的回复力f，通过调节车体的重心以及产生车体左右方向上的回复力f可以维持车体的平衡，以此达到自行车的自平衡。
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