CN219770046U - 一种自平衡无人驾驶自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自平衡无人驾驶自行车，涉及自行车技术领域，包括自行车、自平衡组件和自动行驶组件，自平衡组件包括飞轮，飞轮转动安装在自行车的中部一侧，飞轮为空心飞轮，自行车的中部一侧固定设置有用于驱动飞轮摆动的动力组件，还包括主控板和倾角传感器，主控板固定安装在自行车的顶部外壁，倾角传感器固定安装在自行车顶部远离主控板的一端外壁，倾角传感器的输出端通过导线与主控板连接，自动行驶组件包括滚筒，滚筒固定安装在自行车的顶部靠近后轮处。通过以上各装置之间的配合使用可以实现自行车的自平衡过程，同时还可以进行自动行驶过程，使得自行车的行驶过程更加方便。

Description

一种自平衡无人驾驶自行车

技术领域

本实用新型涉及自行车技术领域，特别涉及一种自平衡无人驾驶自行车。

背景技术

从上世纪50年代开始，国外研究人员就开始研究自行车的运动平衡原理，但直到今天为止，学者们对于自行车动力学原理众说纷纭，并未完全解释清楚。目前研究者对自行车稳定性主要认可以下几种理论：离心力效应、陀螺效应、脚轮效应以及车体质量分布的关联性考虑，而在控制车体横向平衡技术上也有着不同的研究方法，主要分为有无辅助平衡装置——车把驱动和依靠辅助平衡器包括飞轮、陀螺仪、转动杆等方式。

1995年，外国研究员在前人研究的基础上利用自行车的约束与对称特性，推导了简易的运动学方程，研究了仅通过转向以及后轮驱动控制保持车体平衡，提出了跟踪车体横滚角运动轨迹的控制策略。南非学者研究自行车机器人平衡控制长达十余年，并做出了许多贡献，他主要通过改变自行车结构即在车架位置增加辅助平衡装置包括飞轮平衡器和转动杆平衡器两种结构，使机器人具有在低速条件下稳定运行的力，通过拉格朗日方程分别建立了两种带有辅助平衡器结构的模型，提出了逆变换控制方法用来跟踪车体的运动轨迹。

2016年外国学者又设计了一款无车把手仅通过转向使前后轮摇摆实现平衡控制的变结构自行车机器人，该机器人具有三种稳定模式：单轮摆动(SPM)、双轮异侧摆动(APM)和双轮同侧摆动(IPM)，通过拉格朗日公式分别建立了三种模式下的动力学方程并通过实验验证了结合SPM和IPM可以在全速范围内获得车体稳定，但没有对该变结构下的非同轴轮式机器人的运动轨迹控制做深入讨论研究。

国内最早从20世纪90年代开始有学者对自行车机器人***开展研究，其研究内容主要集中在车体动力学模型、平衡控制方法、平衡与轨迹跟踪控制算法设计以及可变结构的特殊平衡方式等方面。随着时间的推移，研究的持续深入，众多的研究成果也开始不断涌现。1995年，上海交通大学刘延柱教授是国内较早对自行车***模型进行研究的学者之一。刘教授在考虑人的双手和上身对车体的控制作用下，将自行车***拆分为独立坐标的四部分，运用动量矩定理推导***的动力学二阶线性模型，根据稳定性条件，得出仅依靠控制车把手就可以使自行车在一定速度范围内稳定运行的结论。

2019年国内学者等设计了一款无机械辅助结构的后轮驱动自行车，利用Lagrange方法建立了后轮驱动自行车模型，得出自行车***输入与输出量之间的关系，根据横滚角、横滚角速度和参数关系，制定模糊规则表，并设计了模糊自适应控制器，实现对后轮驱动自行车***的平衡稳定控制。

同年，另一位国内多个学者研究了自行车***重心位置变化对自行车圆周运动的影响，采用Chaplygin方程建立了***的力学模型，并基于***的能观性矩阵设计了线性二次型调节平衡控制器，在车体上安装10kg可水平和竖直移动的质量块来改变***的质心位置，通过仿真与定90度圆周运动实验得出***的侧倾角、前轮转速、前轮驱动力矩都随着***质心向上移动渐渐减少的结论。

自动驾驶技术近年来得到广泛研究，汽车自动驾驶、列车自动驾驶、飞机自动驾驶逐步进入人们的视线，自行车的使用较为灵活，为小型运输、生活等提供便利，同时还能够为节能减排作出一定贡献。

综上所述，特提出一种基于现有自行车改造，借助飞轮等辅助平衡，通过模拟算法实现自行车静止与运动期间自平衡的自行车。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种自平衡无人驾驶自行车，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种自平衡无人驾驶自行车，包括自行车、自平衡组件和自动行驶组件。

自平衡组件包括飞轮，飞轮转动安装在自行车的中部一侧，飞轮为空心飞轮，自行车的中部一侧固定设置有用于驱动飞轮摆动的动力组件。

还包括主控板和倾角传感器，主控板固定安装在自行车的顶部外壁，倾角传感器固定安装在自行车顶部远离主控板的一端外壁，倾角传感器的输出端通过导线与主控板连接。

自动行驶组件包括滚筒，滚筒固定安装在自行车的顶部靠近后轮处，滚筒的外壁为粗糙状，滚筒粗糙状的外壁与自行车的后轮外壁贴合，自行车的顶部靠近后轮处固定设置有用于驱动滚筒转动的驱动组件，自行车的底部外壁固定设置有为自动行驶组件和自平衡组件供电的电源装置。

进一步地，动力组件包括静平衡电机，静平衡电机固定安装在自行车的中部一侧，且静平衡电机的动力输出端与飞轮通过连接件可拆卸的连接。

进一步地，驱动组件包括后轮驱动电机，后轮驱动电机固定安装在自行车的顶部靠近后轮的一侧，且后轮驱动电机的动力输出端与辊体的中部固定连接。

进一步地，电源装置包括锂电池，锂电池固定安装在自行车的底部外壁。

进一步地，自动行驶组件还包括方向舵机，方向舵机固定安装在自行车顶部靠近车把处，且方向舵机的输出端与车把的转动处固定连接，方向舵机通过导线与主控板连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型中，通过自平衡组件的启动可以抵消车身的倾倒力，来产生相应的回复力，进而实现自行车的静平衡过程，同时还能够对车把进行固定锁死过程，来避免车把转动，利用自动行驶组件的配合使用可以实现自行车的自动行驶和转向过程，使得自行车的自行驶过程更加方便。

附图说明

图1为本实用新型静平衡电机的示意图；

图2为本实用新型锂电池的示意图；

图3为本实用新型后轮驱动电机的示意图；

图4为本实用新型的飞轮结构示意图；

图5为本实用新型的侧向简化结构示意图；

图6为本实用新型的辅助平衡器算法模型。

图中：1、方向舵机；2、倾角传感器；3、主控板；4、后轮驱动电机；5、静平衡电机；6、飞轮；7、锂电池。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1-6所示，本实用新型为一种自平衡无人驾驶自行车，包括自行车、自平衡组件和自动行驶组件。

自平衡组件包括飞轮6，飞轮6转动安装在自行车的中部一侧，飞轮6为空心飞轮6，自行车的中部一侧固定设置有用于驱动飞轮6摆动的动力组件。

还包括主控板3和倾角传感器2，主控板3固定安装在自行车的顶部外壁，倾角传感器2固定安装在自行车顶部远离主控板3的一端外壁，倾角传感器2的输出端通过导线与主控板3连接。

自动行驶组件包括滚筒，滚筒固定安装在自行车的顶部靠近后轮处，滚筒的外壁为粗糙状，滚筒粗糙状的外壁与自行车的后轮外壁贴合，自行车的顶部靠近后轮处固定设置有用于驱动滚筒转动的驱动组件，自行车的底部外壁固定设置有为自动行驶组件和自平衡组件供电的电源装置。

当自行车静止不动时，为了抵消车身的倾倒力，用于辅助静平衡的静平衡电机5驱动飞轮6旋转，使飞轮6产生相应的回复力，来实现自行车的静平衡，同时方向舵机1处于锁死状态，以起到固定车把的作用。

自动行驶时，后轮上方的后轮驱动电机4驱动滚筒转动，利用滚筒外表面凹凸不平以增大摩擦力，带动自行车后轮转动，在自行车转向时，倾角传感器2检测到实时的倾角后，主控板3下发车把转角大小的指令控制方向舵机1使车把转向，同时后轮驱动电机4驱动滚筒与之配合提供速度，完成转弯动作。

电源装置有着供电的作用。

动力组件包括静平衡电机5，静平衡电机5固定安装在自行车的中部一侧，且静平衡电机5的动力输出端与飞轮6通过连接件可拆卸的连接，通过静平衡电机5带动飞轮6转动可以实现自行车的自平衡过程，自动行驶组件还包括方向舵机1，方向舵机1固定安装在自行车顶部靠近车把处，且方向舵机1的输出端与车把的转动处固定连接，方向舵机1通过导线与主控板3连接。

在辅助平衡结构中飞轮6的安装形式一般有两种方式，一种是飞轮6中心轴线平行于自行车纵向；另一种是飞轮6中心轴线垂直于自行车纵向。

在飞轮6垂直安装形式时，当飞轮6高速运动时，由于陀螺效应会产生一个垂直于自行车纵向方向的力矩，会干扰自行车***的横向稳定性，故一般需要额外的偏转电机来形成一个修正力矩。

另一种解决方案是同时安装两个飞轮6垂直于纵向，此方案中需要同时控制两个电机，使得两飞轮6的转动速度和进动角速度大小相等且方向相反，这样才能抵消两个飞轮6各自产生的陀螺力矩，而在飞轮6平行安放时，自行车***的横向平衡是依靠角动力量守恒原理实现的，仅控制一个电机就可以实现，故比较节约能量，而且易于控制。

因此在本方案中采用将飞轮6中心轴线平行于自行车纵向布置，根据自行车所需的基本功能，本项目采用两个直流无刷电机，电机与飞轮6组合形成辅助平衡器***，另一个电机作为整个自行车***前进的动力来源，通过后轮驱动电机4和滚筒与后轮之间的摩擦驱动后轮转动，自行车的转向功能则由车架横梁上方的方向舵机1来实现，通过实现方向舵机1的定角度转动从而实现自行车的定角度转动。

请参阅图4，飞轮6是组成辅助平衡器的重要组成部分，在决定了辅助平衡器中飞轮6的安装形式后，当飞轮6的质量和半径过小，可能造成辅助平衡器在车体倾斜时无法提供与之相抵消的平衡力矩，但若飞轮6的质量和半径过大，此时飞轮6***的转动惯量变大，会造成电机发热严重，降低电机的输出功率。

如果采用实心飞轮6，会使飞轮6整体过重，引起电流剧增，同时降低输出效率，减少电机寿命，为保证辅助平衡器的可靠性，设计了如图4所示的飞轮6。

与实心飞轮6相比，图中所示的飞轮6在质量上可以轻松许多，但在半径上却得到了增加，通过图4可知所设计的飞轮6的转动惯量是实心飞轮6的一倍左右，采用图4设计的飞轮6可以明显增加飞轮6的转动惯量，从而降低对电机性能的要求，以节省经济成本。

其中，本申请中采用直流伺服电机作为自行车***的平衡电机和驱动电机，驱动电机只需要满足体积足够小的前提下，提供一定的驱动力，使自行车以一定速度运动即可，而平衡电机除了体积小的要求外，还需要相应的力矩使车体从倾斜态回复到平衡态，本项目选用麦塔直流伺服电机，这种电机转速快，且输出的力矩较大，并且效率较高，通过法兰将电机与飞轮6固定连接，可以形成自行车的飞轮6***。

电源装置包括锂电池7，锂电池7固定安装在自行车的底部外壁，锂电池7可以对上述电机设备进行供电过程，以确保电机设备的正常使用。

请参阅图5和图6，自行车平衡控制部分采用基于模型设计开发，通过基于模型设计的方法可以在早期发现开发过程中的问题，并且基于Simulink模型设计后的程序可以自动生成C代码下载到控制芯片，明显提高开发效率，同时采用了cSPACE控制与仿真***，能实现硬件在环回路与快速控制原型的功能，本部分接下来将对带有辅助平衡结构的自行车静态和动态时的稳定性原理分别进行分析，通过分析自行车零速状态和行驶时的力学分析，得到使***平衡的合理方案，并为该平衡***建立近似数学模型，揭示无人自行车保持平衡时的力学特征，对模型进行近似线性化处理，并对***进行稳定性与可控性分析。

图6为辅助平衡器算法模型

该过程将由一个PID算法控制，PID控制量为倾角的角度，令***保持平衡即令控制量保持为零，由倾角传感器获得数据后，通过PID算法输出一个电流值，作为辅助平衡***电机的输入值，进而精准的控制***平衡。

2.2动平衡恒速转动控制

自行车的动力学建模自行车的动力学建模需要两个坐标系和自行车的相关参数，坐标系包括地面坐标系和固定在自行车车架上的框架坐标系，框架坐标系的坐标原点和后轮与地面的接触点重合，自行车的相关参数是前叉的角度，自行车重心的高度，自行车的轴距，和重心与框架坐标系原点的水平距离；其他的参数包括自行车车轮的半径、自行车的全部质量和转向把手的转动惯量等，选择合适的自行车之后，这些自行车参数将会被测量并用于动力学仿真，实际的自行车模型比较复杂，动力学仿真不方便，因此在大致不影响仿真结果的前提下，需要对自行车的模型进行简化，将自行车看作一个刚体，自行车只在水平面上运动，车轮不会侧滑，忽略外界因素的扰动，在转弯时速度恒定，即便如此，由于自行车动力学是一个复杂的非线性***，在考虑整个非线性模式的前提下设计的恒定速度转向控制器会较为复杂，因此，自行车的非线性模式应该被简化，最后，为了方便对控制器组成的描述，现将可以使自行车能在自然稳定下前行的状态定义为自然稳定状态，在这种状态下，车架滚动角和角速度都为零。

变量输入

输入变量、状态变量和输出变量设定为了实现恒定速度下的转弯，需要一个输入变量控制转弯的方向和幅度，用期望的车架偏移角来表示，状态变量定为车架偏移角和其角速度，输出变量记为车把转角，其中，输入变量在控制器设计时可由遥控器提供，在实际投入使用的自行车上可用视觉处理的结果来定义。

控制器的主要组成

首先我们要明白自行车转向时的“离心力”是自行车平衡的根本原因：自行车可以看作是一个倒立摆，左右方向不稳定，这个倒立摆受重力作用是一个不稳定***，需要额外的回复力维持平衡，而提供回复力的正是自行车转向时的“离心力”，因此在一个固定的速度下，可以认为控制把手转向角度就是控制回复力，普通自行车都是认为的控制把手来控制转向角度来提高回复力，就是手动控制让它平衡，所以维持自行车自平衡，需要通过一种合适的反馈控制把手角度才能使自行车稳定平衡，因此在自行车上安装恒速转弯控制器来实现此功能。

恒速转弯控制器由反馈环路和前馈环路共同组成。

1、反馈控制：

自行车在左右方向上不稳定，只要偏离平衡位置，就会有一个力(重力的分力)使***更加偏离平衡位置，这样偏差就会越来越大，左右方向都有可能倒下，自行车以一个固定的速度前进时，自行车把手以一定角度进行转向(设为α)，自行车会做相应半径的圆周运动，产生相应大小的“离心力”，我们控制把手转角α，只要控制它就能控制回复力，为了有一个合适的倾角和回复力，我们需要对自行车进行反馈控制，因为反馈控制用于消除实际倾角和期望倾角之间的误差，通过反馈自行车当前的自行车把手转角和当前所需的回复力给自行车***来控制平衡。

但仅靠反馈控制，自行车无法保持在自然稳定状态，还要有前馈控制进行精确计算保持自行车平衡所需倾角。

2、前馈控制：

通过对所需车架转向角的反馈，前馈控制通过PID算法可以使转向角迅速达到所需角度，前馈控制与反馈控制相结合，使自行车可以保持在自然稳定状态，前馈控制和反馈控制的反馈系数可由前进速度决定。

控制器模拟

控制器的模拟将自行车自然稳定状态的条件结合反馈控制和前馈控制，理论上可以得出包括前馈回路在内、含有若干个可调参数的方程，为了进一步调节方程中的参数，可以用Simulink进行仿真，针对不同的自行车车速，方程中的参数可以自动调节到合适的数值。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种自平衡无人驾驶自行车，其特征在于：包括自行车、自平衡组件和自动行驶组件；

所述自平衡组件包括飞轮(6)，所述飞轮(6)转动安装在自行车的中部一侧，所述飞轮(6)为空心飞轮(6)，所述自行车的中部一侧固定设置有用于驱动飞轮(6)摆动的动力组件；

还包括主控板(3)和倾角传感器(2)，所述主控板(3)固定安装在自行车的顶部外壁，所述倾角传感器(2)固定安装在自行车顶部远离主控板(3)的一端外壁，所述倾角传感器(2)的输出端通过导线与主控板(3)连接；

所述自动行驶组件包括滚筒，所述滚筒固定安装在自行车的顶部靠近后轮处，所述滚筒的外壁为粗糙状，所述滚筒粗糙状的外壁与自行车的后轮外壁贴合，所述自行车的顶部靠近后轮处固定设置有用于驱动滚筒转动的驱动组件，所述自行车的底部外壁固定设置有为自动行驶组件和自平衡组件供电的电源装置。

2.根据权利要求1所述的一种自平衡无人驾驶自行车，其特征在于：所述动力组件包括静平衡电机(5)，所述静平衡电机(5)固定安装在自行车的中部一侧，且所述静平衡电机(5)的动力输出端与飞轮(6)通过连接件可拆卸的连接。

3.根据权利要求1所述的一种自平衡无人驾驶自行车，其特征在于：所述驱动组件包括后轮驱动电机(4)，所述后轮驱动电机(4)固定安装在自行车的顶部靠近后轮的一侧，且所述后轮驱动电机(4)的动力输出端与辊体的中部固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种自平衡无人驾驶自行车，其特征在于：所述电源装置包括锂电池(7)，所述锂电池(7)固定安装在自行车的底部外壁。

5.根据权利要求4所述的一种自平衡无人驾驶自行车，其特征在于：所述自动行驶组件还包括方向舵机(1)，所述方向舵机(1)固定安装在自行车顶部靠近车把处，且所述方向舵机(1)的输出端与车把的转动处固定连接，所述方向舵机(1)通过导线与主控板(3)连接。