[發明專利]一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨輪車

有效

• 申請號: 201210217335.X
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN102815357A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）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）人: 北京工業大學
• 主分類號: B62K11/00
• 分類號: B62K11/00
• 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

本發明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

Segway系列兩輪載人車在機場安保等領域發揮著重要作用，但是對于一些狹窄區域該兩輪載人車沒辦法到達，為此Invenst公司開發了solowheel獨輪載人車，獨輪載人車和兩輪載人車比起來具有體積小方便攜帶等優點，因而更加方便使用。眾所周知，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（平面）和左右方向（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。但遺憾的是solowheel沒有側平衡能力，所以需要長時間訓練才可以使用。?

申請號為200810000744的發明專利提出了一種基于姿態控制的平衡式獨輪小車，但是顯然該獨輪小車沒有可以實現側平衡的機構，文獻《一種獨輪機器人系統的動力學建模與平衡控制》主要對獨輪機器人進行動力學建模，沒有對實現獨輪機器人平衡的機構加以詳細闡述，所提出的控制方案也是在控制領域中常有的對于數學模型的仿真控制，而且文獻中亦沒有公開控制方案的具體實施步驟和方法。我們在先申請的專利《一種獨輪機器人系統及其控制方法》首先公開了使用慣性飛輪實現獨輪機器人的側平衡的機構，文獻《獨輪機器人姿態控制研究》和《六自由度獨輪機器人本體研制及動力學控制方法研究》借鑒使用，并將慣性飛輪替換成垂直轉子實現側平衡。我們在先申請的專利《自平衡載人獨輪車系統及控制方法》（申請號為201010579927.7）專利中對機械結構的連接關系，信號的傳遞流程，機電的連接，具體的控制步驟均未作出充分的公開，而且獨輪車的側平衡控制不是本領域技術人員的公有知識故借助之前的文獻和專利無法實現對獨輪載人自平衡車得到控制，基于以上調研，為彌補之前發明的不足，我們特提出新的發明專利請求。?

本發明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，從而使得無須專門訓練即可簡便地騎行獨輪車。?

發明內容

本發明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。?

本發明涉及一種自平衡載人獨輪車系統，其前后控制基于本領域內工作的前后移動行走輪原理，側向平衡控制基于以下原理和實施方式：?

1角動量守恒，請參閱圖5，將獨輪車抽象為慣性平衡輪和車體兩個部分，依據角動量守恒，當慣性平衡輪順時針旋轉時，為保證角動量守恒，車體將逆時針旋轉，這樣就將獨輪車從向右側傾斜控制到豎直平衡位置。?

2牛頓第二定律，請參閱圖5，當獨輪車順時針傾斜（偏向右側）時，平衡輪6輪轂電機對平衡輪6輸出順時針方向力矩，驅動平衡輪6順時針旋轉，依據牛頓第二定律平衡輪6將給輪轂電機一個逆時針方向的反力矩，使得獨輪車整體逆時針旋轉至平衡位置（即Φ為0）。一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨輪車，其特征在于，含有：多個傳感器、慣性平衡輪6、車體16,3、行走輪1、控制手柄13、伺服驅動器8,9和控制器10，其中：?

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的轉速，駕駛員面對前進方向時逆時針方向為正，順時針方向為負，?

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

陀螺儀12用于測量所述獨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；駕駛員時面對前進方向時橫滾角Φ為正表示逆時針向左傾斜，反之表示向右傾斜，?