專利名稱：自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電動(dòng)車(chē)，尤其是兩輪左右分布的電動(dòng)車(chē)。
傳統(tǒng)的人力自行車(chē)或電動(dòng)自行車(chē)雖然可以為人代步，但是由于兩輪前后分布，它存在以下的缺點(diǎn)①車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑大，無(wú)法在小空間范圍靈活運(yùn)動(dòng)；②完全依靠駕駛者的身體來(lái)人工控制車(chē)體的平衡；③無(wú)法倒車(chē)。
中國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?2114794.9)提出的發(fā)明專利《新型電動(dòng)車(chē)》是一種兩輪左右分布的電動(dòng)車(chē)，它利用了高速陀螺角動(dòng)量守恒原理來(lái)保持兩輪車(chē)的平衡，但它存在以下缺陷①在有外界干擾(包括人為改變車(chē)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài))的情況下，角動(dòng)量方向會(huì)發(fā)生改變，影響其穩(wěn)定工作；②平衡轉(zhuǎn)盤(pán)體積很大且高速旋轉(zhuǎn)(10000轉(zhuǎn)/分)，因而會(huì)消耗大量電能，電池使用時(shí)間很短。
本實(shí)用新型包括車(chē)體、車(chē)輪和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，帶有電機(jī)的車(chē)輪安裝在車(chē)體兩側(cè)，電源、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及傳感器和控制開(kāi)關(guān)等安裝在車(chē)體上，其特征在于所述車(chē)輪與車(chē)體之間為轉(zhuǎn)軸連接，所述傳感器為速度傳感器和角度傳感器，速度傳感器安裝在車(chē)輪與車(chē)體的連接處，角度傳感器安裝在車(chē)體上，所述控制電路中存儲(chǔ)或固化了相應(yīng)的用于控制平衡的軟件。
所述車(chē)體上的人體支撐件為桿狀把手，控制開(kāi)關(guān)安裝在把手的手柄或立桿上；或者，人體支撐件為座椅，控制開(kāi)關(guān)安裝在座椅的扶手或腳踏上。
也就是說(shuō)，本實(shí)用新型是利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的自動(dòng)平衡，從而簡(jiǎn)化了車(chē)體的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)僅包括車(chē)體、車(chē)輪和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。其車(chē)輪采用自驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，即每個(gè)車(chē)輪中都帶有驅(qū)動(dòng)用的電機(jī)、各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。車(chē)輪安裝在車(chē)體兩側(cè)，形成兩輪左右分布結(jié)構(gòu)，以減小車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑。車(chē)輪與車(chē)體之間為轉(zhuǎn)軸連接，使車(chē)體可以繞車(chē)輪的轉(zhuǎn)軸形成水平擺動(dòng)。車(chē)體可以只有車(chē)身，或者包括車(chē)身和人體支撐件等，應(yīng)有足夠的承載強(qiáng)度。車(chē)身可以是盒式，以便將電源以及控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等置于其中；也可以是板式或其它合適的形式，這時(shí)電源以及控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等要根據(jù)其具體情況來(lái)放置。車(chē)輪通常安裝在車(chē)身上，人體支撐件也安裝在車(chē)身上。人體支撐件為桿狀把手或座椅(或其它合適的形式)、可以給駕駛者以把持或依靠，其與車(chē)身之間應(yīng)為固定連接?？刂崎_(kāi)關(guān)通常設(shè)置在人體支撐件上，以便于操作。傳感器通常設(shè)置在車(chē)體上，以便于直接感受車(chē)體的運(yùn)行及平衡狀況。控制電路的核心器件可以采用微處理器、單片機(jī)等，驅(qū)動(dòng)電路則采用適當(dāng)?shù)男问揭允闺姍C(jī)能夠正轉(zhuǎn)、也能反轉(zhuǎn)。
本實(shí)用新型所采用的傳感器包括速度傳感器和角度傳感器，通過(guò)它們可以測(cè)量出車(chē)體的運(yùn)行狀況及平衡狀況、包括兩輪的轉(zhuǎn)角和車(chē)體的傾角的信息，反饋給控制電路，計(jì)算出兩輪和車(chē)體的角速度及角加速度、從而計(jì)算出兩輪所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)體的控制。本實(shí)用新型所采用的控制方程為 其中，Ml為左車(chē)輪的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Mr為右車(chē)輪的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；θl為左車(chē)輪的轉(zhuǎn)角，θr為右車(chē)輪的轉(zhuǎn)角，θ為車(chē)體相對(duì)于水平面的傾角；Jl、ml和Jr、mr分別為左、右車(chē)輪的質(zhì)量和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，R為車(chē)輪半徑，m為車(chē)體及駕駛者的質(zhì)量之和(駕駛者的質(zhì)量可取典型量，如70kg)，其質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的距離為L(zhǎng)，其繞質(zhì)心在θ角上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jθ。 和 則分別為左、右車(chē)輪和車(chē)體的角加速度，它們是通過(guò)θl、θr和θ計(jì)算而得。
當(dāng)車(chē)體不運(yùn)動(dòng)也不傾斜時(shí)，角度傳感器得到車(chē)體傾角信號(hào)(此時(shí)幾乎為零)并送入控制電路，控制電路根據(jù)此信號(hào)并綜合左、右車(chē)輪速度傳感器的信號(hào)(此時(shí)也幾乎為零)算出兩輪所需的電機(jī)力矩控制量，將該控制量送入驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)功率放大等處理后傳送到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的電機(jī)中，保持車(chē)體原地平衡。當(dāng)需要車(chē)體前進(jìn)時(shí)，駕駛者使車(chē)體稍微向前傾斜，角度傳感器得到傾角信號(hào)送入控制電路，控制電路根據(jù)此信號(hào)并綜合左、右車(chē)輪速度傳感器的轉(zhuǎn)角信號(hào)算出兩輪所需的電機(jī)力矩控制量，將該控制量送入驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)功率放大等處理后傳送到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的電機(jī)中，控制車(chē)輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)并始終保持車(chē)體平衡。傾角越大，加速越快。當(dāng)需要減速、剎車(chē)或后退時(shí)，駕駛者使車(chē)體稍微向后傾斜，控制電路同樣可以根據(jù)傳感器信號(hào)算出所需反力矩、從而控制車(chē)輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)并始終保持車(chē)體平衡。傾角越大，反向加速越快。需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛者通過(guò)控制開(kāi)關(guān)給出一個(gè)信號(hào)，控制電路根據(jù)計(jì)算得出左、右輪的不同力矩大小，從而控制車(chē)輪分別以不同的速度或方向轉(zhuǎn)動(dòng)并始終保持車(chē)體平衡，由此可以控制車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)到所需方向。
綜上所述，本實(shí)用新型與已有的電動(dòng)車(chē)比較具有以下優(yōu)點(diǎn)①由于兩輪為左右分布，使車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑為零，可以在小空間范圍靈活運(yùn)動(dòng)；
②通過(guò)軟件計(jì)算輸出控制量，由控制電路分別控制兩側(cè)車(chē)輪，不僅使車(chē)體能夠自動(dòng)保持平衡，而且不需要機(jī)械構(gòu)造的剎車(chē)、倒車(chē)、平衡系統(tǒng)；使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
③具有廣泛的用途。如可作為大型廣場(chǎng)或娛樂(lè)場(chǎng)所等步行人員、大范圍場(chǎng)地維持秩序的有關(guān)人員、紡織車(chē)間操作人員、高爾夫球場(chǎng)工作人員等的代步工具；也可應(yīng)用在人口密集的城市及地區(qū)的電動(dòng)交通工具。
圖2是本實(shí)用新型的外形結(jié)構(gòu)示意圖(其中人體支撐件為座椅)。
圖3是本實(shí)用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4、圖5是本實(shí)用新型的速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(圖4為正視圖，圖5為側(cè)視圖)。
圖6是本實(shí)用新型的用于控制平衡的軟件流程圖。
圖7是本實(shí)用新型的電路框圖。
圖8是本實(shí)用新型的控制電路的線路圖。
圖9是本實(shí)用新型的驅(qū)動(dòng)電路的線路圖。
本實(shí)用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。打開(kāi)蓋板1后，可以看見(jiàn)固定在底座3內(nèi)的內(nèi)部元件。控制電路15中的核心控制元件采用微處理器16。角度傳感器14為水平儀傳感器或陀螺儀傳感器，安裝在車(chē)體上的任意位置均可(圖中所示安裝在控制電路板上)，當(dāng)車(chē)體發(fā)生傾斜時(shí)即輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)到控制電路中，從而計(jì)算車(chē)體的傾斜角度及其角速度和角加速度。小車(chē)的全部能源由作為電源的鉛蓄電池12提供。驅(qū)動(dòng)電路13中采用光電隔離和橋式驅(qū)動(dòng)方式?？刂齐娐放c驅(qū)動(dòng)電路之間的連接關(guān)系如圖7所示，兩者的具體線路分別見(jiàn)圖8、9。
用于控制平衡的軟件固化在微處理器的片外程序存儲(chǔ)器中(這是由于所選用的微處理器型號(hào)其本身的內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限所致)，其執(zhí)行程序框圖見(jiàn)圖6。
使用時(shí)，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)10，系統(tǒng)啟動(dòng)，微處理器16開(kāi)始工作。當(dāng)車(chē)體不運(yùn)動(dòng)也不傾斜時(shí)，角度傳感器14得到車(chē)體傾斜角度信號(hào)(此時(shí)幾乎為零)并送入微處理器16，由其中的軟件根據(jù)此信號(hào)并綜合左、右車(chē)輪速度傳感器4的信號(hào)(此時(shí)也幾乎為零)算出所需力矩，保持車(chē)體原地平衡。需要前進(jìn)時(shí)，駕駛者向前傾斜車(chē)體，角度傳感器14得到車(chē)體傾斜角度信號(hào)并送入微處理器16，由其中的軟件根據(jù)此信號(hào)并綜合左、右車(chē)輪速度傳感器4的信號(hào)算出所需力矩，控制車(chē)輪6轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)并始終保持車(chē)體平衡。傾角越大，加速越快；當(dāng)傾角達(dá)到一定角度(視車(chē)體及駕駛者質(zhì)量不同而略有差別)后，加速停止，整車(chē)勻速前進(jìn)。當(dāng)需要減速、剎車(chē)或后退時(shí)，駕駛者向后傾斜車(chē)體，微處理器16同樣可以根據(jù)各傳感器的信號(hào)綜合計(jì)算出所需反力矩的大小，控制車(chē)輪6產(chǎn)生合適的反力矩，使整車(chē)減速、剎車(chē)或后退。傾角越大，反向加速越快；當(dāng)傾角達(dá)到一定角度(視車(chē)體及駕駛者質(zhì)量不同而略有差別)后，加速停止，整車(chē)勻速后退。需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)11(可以點(diǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))給出一個(gè)信號(hào)，微處理器根據(jù)信號(hào)特征并綜合其它傳感器信號(hào)計(jì)算得出左、右輪所需的不同力矩大小，利用左、右輪的轉(zhuǎn)速差，可以控制車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)到所需方向。由于控制方程中使用了三維動(dòng)力學(xué)的倒立擺控制原理，在靜止、前進(jìn)、后退或減速、剎車(chē)以及轉(zhuǎn)彎等各種運(yùn)行狀態(tài)下，整車(chē)能始終保持平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。
本實(shí)用新型的主要參數(shù)如下車(chē)輪使用直徑為16英寸的永磁直流有刷無(wú)齒電動(dòng)輪，車(chē)身基本尺寸為520mm×286mm×110mm(長(zhǎng)×寬×高)。使用兩節(jié)12伏鉛蓄電池串聯(lián)供電，微處理器采用DSP，型號(hào)為T(mén)MS320LF2407。角度傳感器為中科院智能所生產(chǎn)的KY2000型水平儀，光電傳感器的型號(hào)為MOCH21A。整車(chē)質(zhì)量約為25公斤。一般人員經(jīng)10分鐘左右訓(xùn)練后可以駕駛其任意行走。車(chē)體前傾時(shí)車(chē)子自動(dòng)加速，后傾時(shí)自動(dòng)減速直至后退。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，可原地轉(zhuǎn)彎任意角度。時(shí)速可達(dá)10公里每小時(shí)。連續(xù)行駛里程約30公里。
權(quán)利要求1.一種自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)，包括車(chē)體、車(chē)輪和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，帶有電機(jī)的車(chē)輪安裝在車(chē)體兩側(cè)，電源、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及傳感器和控制開(kāi)關(guān)等安裝在車(chē)體上，其特征在于所述車(chē)輪(6)與車(chē)體之間為轉(zhuǎn)軸連接，所述傳感器為速度傳感器(4)和角度傳感器(14)，速度傳感器安裝在車(chē)輪與車(chē)體的連接處，角度傳感器安裝在車(chē)體上，所述控制電路(15)中存儲(chǔ)或固化了相應(yīng)的用于控制平衡的軟件。
2.如權(quán)利要求1所述的自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)，其特征在于所述車(chē)體上的人體支撐件為桿狀把手(9)，控制開(kāi)關(guān)安裝在把手的手柄或立桿上。
3.如權(quán)利要求1所述的自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)，其特征在于所述車(chē)體上的人體支撐件為座椅(18)，控制開(kāi)關(guān)安裝在座椅的扶手或腳踏上。
專利摘要本實(shí)用新型是一種自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)。它涉及電動(dòng)車(chē)，尤其是兩輪左右分布的電動(dòng)車(chē)。本實(shí)用新型包括車(chē)體、車(chē)輪和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，帶有電機(jī)的車(chē)輪安裝在車(chē)體兩側(cè)，電源、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及傳感器和控制開(kāi)關(guān)等安裝在車(chē)體上，車(chē)輪與車(chē)體之間為轉(zhuǎn)軸連接，速度傳感器和角度傳感器將車(chē)輪與車(chē)體的轉(zhuǎn)角及傾角信息傳輸?shù)娇刂齐娐分校闷渲械能浖?jì)算控制量，從而控制車(chē)輪與車(chē)體的運(yùn)動(dòng)及平衡狀態(tài)。本實(shí)用新型是利用倒立擺控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的自動(dòng)平衡，從而簡(jiǎn)化了車(chē)體的結(jié)構(gòu)。在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)保持車(chē)體平衡，靈活性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易，可作為大型廣場(chǎng)或娛樂(lè)場(chǎng)所、紡織車(chē)間、高爾夫球場(chǎng)等工作人員的代步工具；也可作為電動(dòng)交通工具。
文檔編號(hào)B62K11/00GK2592496SQ02258700
公開(kāi)日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者張培仁, 屠運(yùn)武, 張先舟, 張培強(qiáng), 王久才, 王樺, 賴俊偉, 吳曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)