[實用新型]自平衡載人獨輪車系統

有效

• 申請號: 201020650188.1
• 申請日: 2010-12-03
• 公開（公告）號: CN201907604U
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;龔道雄;于乃功
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B62K1/00
• 分類號: B62K1/00;B60W30/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本實用新型屬于智能機器人范疇，是一種通過自主運動平衡控制實現獨輪車(包括乘員)穩定行走的機器人系統，同時也是一種操作簡單，使用方便的交通工具。

背景技術

騎行獨輪車是人類(或者其他高智能動物)需要經過專門地學習和訓練才能完成的一種活動。因為獨輪車系統(包括乘員)可以視為一種倒立擺，在騎行獨輪車的過程中，騎車人需要在前后方向(yoz平面)和左右方向(xoz平面)維持平衡，所以需要較高的運動平衡技能才能完成這一任務。本實用新型設計的出發點是應用自主機器人的運動平衡控制技術，模擬人類騎行獨輪車時的控制技巧，建立相應的機械和控制系統，使自平衡載人獨輪車系統在行走和站立兩種狀態下在前后方向和左右方向都能夠實現自主平衡控制，從而使得沒有經過專門訓練的人也能夠很容易地騎行獨輪車。

實用新型內容

本實用新型的目的在于設計一種能夠載人的自平衡獨輪車系統。不僅可以作為一種開放式智能機器人研究開發平臺，為運動控制、機器人和人工智能等領域的研究和教學提供實驗對象，還是一種充滿趣味的娛樂設施和一種靈活便捷的交通工具。

本實用新型涉及一種自平衡載人獨輪車系統，是采用以下技術手段實現的：

一種自平衡載人獨輪車系統，包括行走單元和控制單元；行走單元的行走輪9設置在系統的下方，行走輪9的上方設有機架6，機架6的上方設有平衡輪箱3，平衡輪箱3內設有控制左右平衡的平衡輪42，平衡輪箱3的上方設有控制獨輪車前后運動速度的操控手柄2；機架6內設有電源艙7和控制器艙5，操控手柄2連接到傳感器組件11上；控制單元包括：基于DSP的運動控制單元51，與運動控制單元51連接的操控手柄2，由傾角傳感器、慣性傳感器組成的傳感器組件11，以及平衡輪輪轂電機驅動單元41和行走輪輪轂電機驅動單元91；平衡輪42的軸線與行走輪9的軸線垂直并且不相交。

前述行走輪的二側設有載人踏板8。

設定Y軸正方向為獨輪車的前進方向，X軸正方向為獨輪車的左側方向，Z軸正方向為獨輪車站立時的向上方向，XOZ平面為獨輪車在左右方向上傾側角度的平面，YOZ平面為獨輪車在前后方向上傾斜角度的平面；

通過扭轉操控手柄2給定獨輪車希望的行進速度和轉彎角度，零扭轉角度為原地靜止站立，正的扭轉角度表示前進，負的扭轉角度表示后退，扭轉角度的絕對值越大，希望行進速度的絕對值就越大；

獲取傳感器組件11的參數值，該些參數值包括：獨輪車前進過程中向左側轉彎時向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨輪車在前進過程中向右側轉彎時向X軸負方向偏離Z軸的希望傾角值；在YOZ平面內，獨輪車向前行走時向Y軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨輪車后退時向Y軸負方向偏離Z軸的希望傾角值；

根據獲取的傳感器組件11的實際傾角值與希望傾角值之間的誤差值，對獨輪車的行駛狀態進行判斷；

應用行走輪控制方法得到行走輪9當前的驅動控制量，通過行走輪輪轂電機伺服驅動模塊91驅動行走輪9的輪轂電機轉動，從而獲得希望的行進速度和在俯仰方向的平衡；

根據獨輪車當前時刻在左右方向上實際傾角與希望傾角之間的誤差值，計算出平衡輪的驅動控制量，驅動平衡輪42產生一個順時針或逆時針方向的角加速度，獲得一個在XOZ平面內逆時針或順時針方向的轉矩，獲得一個將獨輪車扶正的力，使得獨輪車的實際傾斜角度與希望傾斜角度一致，取得動態平衡。

本實用新型與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果：

一、本實用新型所涉及的獨輪車系統是一種智能自平衡機器人。因為其獨輪行走的結構特點，可以簡化為一個與支撐平面點接觸、可以在支撐點向前后左右任意方向傾倒的倒立擺模型，所以該獨輪車可以作為機器人運動平衡控制、自動控制和智能控制算法、人工智能和機器學習等學科領域的典型研究對象和平臺，滿足這些學科領域教學和科研的需要。

二、本實用新型所涉及的獨輪車系統是一種很有趣味性的娛樂器材和很有實用性的交通工具。因為采用了獨輪行走機構和手柄控制機構，該獨輪車系統具有結構簡單，操控方便，行走靈活的特點；又因為在左右方向采用了平衡輪(飛輪)系統作為平衡控制機構，以及在前后方向采用了針對行走輪的平衡控制策略，這使得一個沒有經過專門訓練的人也?可以很容易地操控該獨輪車系統，所以該獨輪車系統可以象segway兩輪車一樣廣泛地應用于休閑娛樂和交通代步等場合。