[發(fā)明專利]一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210217335.X
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN102815357A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 阮曉鋼;朱曉慶;龔道雄;于乃功;魏若巖;侯旭陽;馬圣策
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B62K11/00
• 分類號: B62K11/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

1.一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，其特征在于，含有：多個所述傳感器，包括：行走輪測速編碼器（2）、平衡輪測速編碼器（7）、控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器（14）和陀螺儀（12），其中：

行走輪測速編碼器（2）和所述的行走輪（1）同軸連接，用于測量所述獨(dú)輪車的行駛速度V，且行走輪行駛速度V為正時表示前行，為負(fù)時表示后退，

平衡輪測速編碼器（7）和所述的平衡輪（6）同軸連接，用于測量所述平衡輪（6）的轉(zhuǎn)速，駕駛員面對前進(jìn)方向時逆時針方向?yàn)檎槙r針方向?yàn)樨?fù)，

控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器（14）與所述的控制手柄（13）同軸連接，順時針扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度γ為正；逆時針方向扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度γ為負(fù)，用于給定所述獨(dú)輪車的期望行駛速度給定值V_E，所述控制器通過扭轉(zhuǎn)角度γ與期望行駛速度V_E映射關(guān)系計算得出所述的期望行駛速度V_E，且V_E為正表示前進(jìn)，V_E為負(fù)表示后退，

陀螺儀（12）用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角度θ和作用左右方向的橫滾角度Φ，其中俯仰角θ為正表示向前傾斜，反之為向后傾斜；駕駛員面對前進(jìn)方向時橫滾角Φ為正表示逆時針向左傾斜，反之表示向右傾斜，

慣性平衡輪（6），簡稱平衡輪（6），下同，同軸連接著一個平衡輪驅(qū)動電機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)向平衡控制：駕駛員面對前進(jìn)方向時當(dāng)所述獨(dú)輪車逆時針向左側(cè)傾斜時，所述的平衡輪驅(qū)動電機(jī)對所述平衡輪（6）輸出逆時針方向轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動所述平衡輪（6）逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)，同時所述平衡輪（6）將給平衡輪驅(qū)動電機(jī)一個順時針方向的反力矩，使車體順時針方向旋轉(zhuǎn)至豎直平衡位置，反之亦然，

車體，包括車架（16）和載人踏板（3），其中：

車架（16），是中空的，分割成下述幾個倉，從下到上分別為電池倉（4）、儲物倉（5）、平衡輪倉和器件倉，其中：

電池倉（4），內(nèi)裝電池向各個傳感器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和控制器供電，

器件倉，設(shè)有：平行固定在所述器件倉底面上的行走輪伺服驅(qū)動器（8）和平衡輪伺服驅(qū)動器（9），位于所述行走輪輪伺服驅(qū)動器（8）和平衡輪伺服驅(qū)動器（9）上方且固定在所述器件倉內(nèi)倉壁上的控制器（10），位于所述控制器（10）正上方的陀螺儀（12），

載人踏板（3），對稱地安裝在所述電池倉（4）下方的車架的左右兩側(cè)，各自與所述的車架（16）用活頁連接，

行走輪（1），同軸連接一個行走輪驅(qū)動電機(jī)，所述行走輪（1）與地面點(diǎn)接觸，且嵌入所述車架左右內(nèi)側(cè)，且與連接軸固定連接，所述行走輪（1）的軸線與所述平衡輪（6）的軸線在空間正交，

控制手柄（13），安裝在所述器件倉左右兩側(cè)，同軸固定連接著一個所述控制手柄角度扭轉(zhuǎn)編碼器（14），用于將所述控制手柄的扭轉(zhuǎn)角度輸入到所述控制器（10）中，

控制器單元，設(shè)有：DSP處理器（10），顯示屏（15）、行走輪伺服驅(qū)動器（8）和平衡輪伺服驅(qū)動器（9），其中：

顯示屏（15），輸入與所述DSP處理器（10）的輸出顯示信號相連，所述顯示屏（15）位于所述器件倉上表面上，用于顯示實(shí)時電池電量，車速等信息，

行走輪伺服驅(qū)動器（8），用于驅(qū)動所述行走輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器（10）的行走輪（1）控制信號輸出端相連，輸出端與所述行走輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號，

平衡輪伺服驅(qū)動器（9），用于驅(qū)動所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器（10）的平衡輪（6）控制信號輸出端相連，輸出端與所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號，

DSP處理器（10），設(shè)有控制手柄扭轉(zhuǎn)角度信號輸入端，與所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器（14）的輸出端相連；平衡輪速度信號輸入端，與所述平衡輪測速編碼器（7）的輸出端相連；行走輪速度信號輸入端，與行走輪測速編碼器（2）輸出端相連；陀螺儀（12）信號輸入端，與所述陀螺儀信號輸出端相連，

所述DSP處理器（10）依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)所述獨(dú)輪車的自平衡載人行駛控制：

步驟（1），設(shè)定左手笛卡爾坐標(biāo)系：

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于所述行走輪與地面的接觸點(diǎn)上

Z軸與所述車架的軸線相重合，向上為正，

X軸與行走輪軸線重合，向左為正，

Y軸與X軸和Z軸正交，前進(jìn)方向?yàn)檎?/p>

所述俯仰角θ，在YOZ平面上，向前為正，向后為負(fù)，

所述左右側(cè)橫滾角Φ，在XOZ平面上，駕駛員面對前進(jìn)方向時向左為正，向右為負(fù)，

步驟（2）DSP處理器初始化，設(shè)定以下參數(shù)：

采用時間間隔Δt=0.01S，行走輪電機(jī)控制量步長Δu_x=0.2V，平衡輪電機(jī)控制量步長Δu_p=0.02V，俯仰角容許控制誤差ξ_θ=0.5°，橫滾角容許控制誤差ξ_Φ=0.2°，

所述獨(dú)輪車平衡靜止時，Φ₀=0，θ₀=0，γ₀=0，V₀=0，

預(yù)置所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度γ與期望行駛速度V_E的函數(shù)關(guān)系，V_E=k₁γ為正比例函數(shù)關(guān)系，k₁∈[1,20]，γ∈[-20,50]，

預(yù)置所述期望俯仰角θ_E與行駛速度V_E的函數(shù)關(guān)系，θ_E=15×(arctanV_E)/(0.5π)，V_E∈[-20,50]，預(yù)置所述期望橫滾角Φ_E=0，

步驟（3）在一個控制周期內(nèi)，所述DSP處理器讀取陀螺儀實(shí)時的俯仰角θ和橫滾角Φ，

步驟（4），所述的控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器將扭轉(zhuǎn)角度γ輸入DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)輸入扭轉(zhuǎn)角度γ，根據(jù)預(yù)置的γ-V_E函數(shù)關(guān)系計算出期望的行駛速度V_E，然后根據(jù)預(yù)置的V_E–θ_E函數(shù)關(guān)系計算出期望的俯仰角θ_E，

步驟（5），若Φ>30°或θ>45°,則停止行駛，平衡輪停止旋轉(zhuǎn)，否則進(jìn)入步驟（6）

步驟（6），所述DSP處理器根據(jù)實(shí)時測量的θ和Φ及計算θ_E進(jìn)行如下控制：

若|Φ-0|≤ξ_Φ且|θ-θ_E|≤ξ_θ則原速行駛，行走輪控制量和平衡輪控制量保持不變，

若|Φ-0|≥ξ_Φ時,則判斷Φ符號，若為正，則平衡輪控制量增加一個步長Δu_p，使得平衡輪逆時針加速旋轉(zhuǎn)；若為負(fù)，則平衡輪控制量減小一個步長Δu_p，使得平衡輪順時針加速旋轉(zhuǎn)，

若|θ-θ_E|≥ξ_θ時,先判斷(θ-θ_E)符號，若為正，則行走輪控制量減小一個步長Δu_x，使得行走輪減速；若為負(fù)，則行走輪控制量增大一個步長Δu_x，使得行走輪加速，

步驟（6），一個控制周期內(nèi)程序終止，轉(zhuǎn)步驟（3）循環(huán)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，其特征在于所述的控制器和陀螺儀之間安裝有加速度計傳感器，用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角加速度和作用左右方向的橫滾角加速度，且加速度計信號輸出端與所述DSP處理器信號輸入端相連；在上述的流程步驟（3）中，所述的DSP處理器在讀取實(shí)時的陀螺儀數(shù)據(jù)同時讀取加速度計的數(shù)據(jù)，并用加速度計的數(shù)據(jù)校正陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法計算出精度更高的俯仰角θ和橫滾角Φ。