[發明專利]一種可實現自行車自平衡的裝置、方法及自行車

有效

• 申請號: 202010195896.9
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111361681B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 劉才山;熊佳銘;彭椿皓;王囡囡
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B62M6/45
• 分類號: B62M6/45;B62K11/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發明提供了一種可實現自行車自平衡的裝置，包括主控制器，主控制器與檢測系統、驅動系統連接；檢測系統包括傾角傳感器，用于檢測自行車的傾角狀態，并將檢測信息傳輸至主控制器；驅動系統包括平衡系統和轉向系統，轉向系統包括轉向電機，轉向電機通過減速器與自行車的車頭連接，控制車頭轉動角度和速度；平衡系統包括飛輪平衡機構和滑塊平衡機構，飛輪平衡機構與自行車的車輪連接，與車輪轉軸同軸固定；滑塊平衡機構包括導軌和與導軌滑動連接的滑塊，導軌與自行車的支架連接；主控制器將檢測信息經過處理后生成控制信號，控制信號傳輸至驅動系統。解決了目前對自平衡自行車僅局限于運動平衡的問題，使得自行車可以實現運動以及靜止平衡。

技術領域

本發明涉及一種可實現自行車自平衡的裝置、方法及自行車，具體地說是一種可以實現自行車自主平衡的控制方法、實驗裝置及自行車，屬于機電控制領域。

背景技術

自行車是人們日常生活中最常見的交通工具之一，縱觀自行車的發展史，在自行車的發展演化過程中，雖然結構簡單，但其卻蘊含著豐富的科學問題。由于自行車與支撐路面僅有兩個接觸點，因此從物理本質上是不穩定的，類似于“倒立擺”結構，但是當人為控制自行車，或自行車在適當的速度條件下，自行車卻能實現真正的“自行”，呈現了完美的動力學穩定性問題。

目前對于自行車的自平衡的研究主要針對力學模型的建立以及動力學運動學的分析，但其分析內容情景單一，物理模型較為簡單，不能很好地對自行車的力學以及運動學模型進行分析。已有一些研究團隊實現在常規自行車上改裝，通過自行車的車頭擺動可實現自行車的簡單運動平衡，但其運動平衡僅僅針對于自行車向前行駛的情況，且在低速和靜止條件下，仍無法實現自行車的自平衡。再有用于驗證自行車動平衡的TMS自行車，可在一定的速度下無需任何輔助控制，僅利用自身結構特性實現車體的運動自平衡，對于靜止和低速情形，仍無法實現自平衡，且其結構特殊無法正常騎行，僅用于實驗驗證。

發明內容

針對上述的不足，本發明提供了一種可實現自行車自平衡的裝置、方法和自行車，是一種基于實時運動控制器的自平衡控制系統、控制理論和控制方法，具有運動及靜止自平衡，抗擾能力強等特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

第一方面，本發明提供了一種可實現自行車自平衡的裝置，包括主控制器，主控制器與檢測系統、驅動系統連接；檢測系統包括傾角傳感器，用于檢測自行車的傾角狀態，并將檢測信息傳輸至主控制器；

驅動系統包括平衡系統和轉向系統，轉向系統包括轉向電機，轉向電機通過減速器與自行車的車頭連接，控制車頭轉動角度和速度；

平衡系統包括飛輪平衡機構和滑塊平衡機構，飛輪平衡機構與自行車的車輪連接，與車輪轉軸同軸固定；滑塊平衡機構包括導軌和與導軌滑動連接的滑塊，導軌與自行車的支架連接；

主控制器將檢測信息經過處理后生成控制信號，控制信號傳輸至驅動系統。

第二方面，本發明還提供了一種可實現自行車自平衡的控制方法，步驟包括：

按下電源總開關啟動系統，通過主控制器查看系統的各個部分的供電及參數信息是否正常；

通過主控制器校準檢測系統的傾角傳感器，并實時讀取檢測系統的傾角傳感器的數據；

獲得自行車車體的傾斜角度、傾斜的角速度，并根據伺服行走電機的反饋獲得自行車車體的行走速度，通過建立的自行車的運動學模型，根據自行車車體的傾斜角度、傾斜的角速度和行走速度計算出轉向電機的轉角、角速度和無刷輪轂平衡電機的轉速，以及運動滑塊的位置、速度和加速度；

通過控制轉向電機的轉角和角速度使得自行車車體的重心回到車體的正下方，通過控制運動滑塊的位置、速度、加速度改變整個自行車系統的質量分布并提供自行車車體在左右方向上的回復力，通過無刷輪轂平衡電機帶動飛輪轉盤高速旋轉產生陀螺效應提高自行車車體的平衡能力，以此達到自行車的自平衡。