本發(fā)明涉及電動(dòng)平衡車的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人及控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

兩輪移動(dòng)機(jī)器人分為同軸兩輪(左右分布)和縱向兩輪(前后分布)兩種。同軸兩輪移動(dòng)機(jī)器人具有極強(qiáng)的靈活性且與兩足機(jī)器人行走有很大的相似性，行業(yè)內(nèi)相關(guān)的研究與應(yīng)用比較多，但是縱向兩輪的機(jī)器人自平衡的實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性。由于縱向兩輪平衡機(jī)器人是典型的自然不穩(wěn)定體，在非控制的情況下會(huì)左右擺動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)自平衡比較困難，因此其平衡控制是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。由于前后兩輪結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題待去解決。

目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)主要集中在自平衡技術(shù)開(kāi)發(fā)上，以及提高平衡穩(wěn)定性的方法上。自平衡技術(shù)包括飛輪陀螺效應(yīng)法、前輪轉(zhuǎn)向法、重心調(diào)整法、反作用力矩法以及上述方法的結(jié)合。飛輪陀螺效應(yīng)法是依靠飛輪陀螺效應(yīng)產(chǎn)生的陀螺力矩保持穩(wěn)定；前輪轉(zhuǎn)向法是依靠控制機(jī)器人前輪的轉(zhuǎn)向來(lái)保持穩(wěn)定；重心調(diào)整法是依靠調(diào)整機(jī)器人重心來(lái)保持穩(wěn)定；反作用力矩法是依靠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的反作用力矩來(lái)保持穩(wěn)定。但目前這些方法都存在穩(wěn)定性不高、能耗大、自主能力缺乏等弱點(diǎn)，且其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，難以快速地滿足實(shí)用性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人及控制系統(tǒng)。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)手段解決上述問(wèn)題：

一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人，包括依次連接的車頭部分、車身部分、車尾部分，還包括電控箱、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前輪安裝機(jī)構(gòu)、前輪、后輪安裝機(jī)構(gòu)、后輪；

所述電控箱安裝在車身部分的腔體內(nèi)，用于安裝電控及供電部件；

所述前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝在車頭部分，用于傳動(dòng)前輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；

所述前輪安裝機(jī)構(gòu)安裝在前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，用于給前輪提供安裝支架；

所述前輪安裝在前輪安裝機(jī)構(gòu)上，用于作為機(jī)器人的承重輪以及改變機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；

所述后輪安裝機(jī)構(gòu)安裝在車尾部分，用于給后輪提供安裝支架。

進(jìn)一步地，一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)，安裝在如上所述的一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人上，包括：

主控制單元，安裝在電控箱內(nèi)，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、后輪驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)交互單元、信息檢測(cè)單元、供電單元連接，用于控制機(jī)器人動(dòng)作以及讀取檢測(cè)信號(hào)；

雙陀螺平衡部件，安裝在車身部分的內(nèi)腔里，用于保持機(jī)器人的平衡；

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，安裝在車頭部分，包括依次電連接的舵機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)從而改變前輪轉(zhuǎn)向的角度大小；

后輪驅(qū)動(dòng)單元，安裝在后輪安裝機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)、后退以及剎車；

人機(jī)交互單元，安裝在車頭部分，用于顯示電控系統(tǒng)的各種信息以及響應(yīng)用戶的操作輸入；

信息檢測(cè)單元，安裝在機(jī)器人相應(yīng)的檢測(cè)位，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、后輪驅(qū)動(dòng)單元連接，用于檢測(cè)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

供電單元，安裝在電控箱內(nèi)，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、后輪驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)交互單元、信息檢測(cè)單元，用于給整個(gè)系統(tǒng)供電以及對(duì)電源進(jìn)行管理。

進(jìn)一步地，所述主控制單元包括：

微處理器，分別與信號(hào)調(diào)理電路、存儲(chǔ)區(qū)域、工作指示器連接，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自平衡控制算法，用于數(shù)據(jù)處理和發(fā)送命令，用于與外部功能模塊進(jìn)行通信；

信號(hào)調(diào)理電路，用于各路傳感器信號(hào)的濾波、放大和采集；

存儲(chǔ)區(qū)域，用于保存初始化配置參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄操作過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

工作指示器，用于指示系統(tǒng)成功運(yùn)行或故障報(bào)警。

進(jìn)一步地，所述雙陀螺平衡部件包括：

兩個(gè)飛輪，固定安裝在車身部分，用于在高速自轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生保持機(jī)器人平衡的陀螺力矩；

兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)，一對(duì)一地與兩個(gè)飛輪安裝連接，用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)飛輪高速自轉(zhuǎn)；

無(wú)刷電調(diào)裝置，分別與兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)電連接，用于調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)飛輪以相反方向的同步偏轉(zhuǎn)從而自平衡的陀螺力矩，同時(shí)抵消單飛輪效應(yīng)存在的不利力矩；

飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，包括依次電連接的飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)、飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置。

進(jìn)一步地，所述供電單元包括依次連接的充電電池組、電源管理模塊；

所述充電電池組，安裝在電控箱內(nèi)，用于提供直流電源給機(jī)器人；

所述電源管理模塊，安裝在電控箱內(nèi)，用于管理與監(jiān)測(cè)充電電池組。

進(jìn)一步地，所述后輪驅(qū)動(dòng)單元包括依次電連接的輪轂電機(jī)、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

所述輪轂電機(jī)，與所述后輪進(jìn)行機(jī)械連接，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人后輪的前后運(yùn)動(dòng)；

所述輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于控制輪轂電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速和剎車。

進(jìn)一步地，所述信息檢測(cè)單元包括：

飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器，分別與所述飛輪、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量飛輪自轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，分別與所述飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量飛輪產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

姿態(tài)儀，安裝在機(jī)器人上，與所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量縱向兩輪平衡機(jī)器人側(cè)向傾斜角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器，分別與所述輪轂電機(jī)、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量后輪的轉(zhuǎn)速并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器，分別與所述舵機(jī)、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量前輪轉(zhuǎn)向的角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

避障傳感器，安裝在車頭部分的最前端，與所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量障礙物的距離并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元。

進(jìn)一步地，所述人機(jī)交互單元包括高清攝像頭、觸摸屏、WIFI通信模塊；

所述高清攝像頭，安裝在車頭部分的最前端，與WIFI通信模塊連接，用于獲取路況以及障礙物信息等并將信息傳輸?shù)絎IFI通信模塊；

所述觸摸屏，與所述主控制單元連接，用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人整個(gè)狀態(tài)信息，同時(shí)響應(yīng)用戶操作事件。

所述WIFI通信模塊，分別與所述主控制單元、高清攝像頭連接，用于回傳機(jī)器人的狀態(tài)信息至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端中，同時(shí)接收計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端的命令與數(shù)據(jù)，包括TTL串口、USB接口；

所述TTL串口，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換等方式與所述主控制單元連接，用于將WIFI通信模塊83接收到的電腦端或移動(dòng)終端的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給所述主控制單元，配置機(jī)器人的工作參數(shù)，同時(shí)回傳機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端；

所述USB接口，與高清攝像頭的USB口連接，用于通過(guò)WIFI信號(hào)將高清攝像頭圖像傳輸至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端。

進(jìn)一步地，所述微處理器包括依次連接的CPU核心、外設(shè)接口；

所述CPU核心，為ARM控制器，用于計(jì)算與控制機(jī)器人自平衡過(guò)程，用于采集與處理各路傳感器數(shù)據(jù)，用于處理接收與發(fā)送的命令，用于ADC轉(zhuǎn)換，用于產(chǎn)生不同頻率、占空比的PWM波；

所述外設(shè)接口，用于CPU核心與外部功能模塊之間的數(shù)據(jù)與命令傳輸，包括以下至少一種接口：

普通I/O口，分別與飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器、后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器、前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器、飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器、避障傳感器連接，用于獲取飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器與后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器的數(shù)字信號(hào)、前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器與飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器的模擬信號(hào)、避障傳感器的脈沖信號(hào)；

光耦隔離I/O口，分別與無(wú)刷電調(diào)裝置、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，用于使能信號(hào)控制無(wú)刷電調(diào)裝置、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器和飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的；

UART接口，與姿態(tài)儀連接，用于讀取姿態(tài)儀中機(jī)器人姿態(tài)信息與傾斜角速度數(shù)據(jù)，用于與WIFI通信模塊以接收計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端的命令或者回傳機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；

RS485接口，與觸摸屏連接，用于與觸摸屏的通信以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人狀態(tài)信息，同時(shí)響應(yīng)用戶操作事件。

進(jìn)一步地，所述觸摸屏包括：

命令操作區(qū)域，用于向所述微處理器發(fā)送相應(yīng)的控制命令，包括系統(tǒng)復(fù)位按鈕、飛輪啟停按鈕和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)按鈕等；

信息顯示區(qū)域，用于顯示機(jī)器人當(dāng)前的工作狀態(tài)信號(hào)；

配置區(qū)域，用于顯示與設(shè)置各參數(shù)值。

進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自平衡與自主避障的工作流程如下：

(1)系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏，可讀取與設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)值；

(2)用戶按下飛輪啟停按鈕，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)飛輪由靜止開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，使兩個(gè)飛輪朝相反的方向自轉(zhuǎn)，直至兩個(gè)飛輪超過(guò)特定轉(zhuǎn)速且保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，而飛輪自轉(zhuǎn)的速度由飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器測(cè)量，然后由主控制單元實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏上；

(3)當(dāng)飛輪達(dá)到恒速運(yùn)轉(zhuǎn)后，飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)自動(dòng)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，通過(guò)飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置使兩個(gè)飛輪同步朝相反方向產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生用于縱向兩輪自平衡機(jī)器人自動(dòng)平衡的陀螺力矩；

(4)主控制單元通過(guò)飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器不斷獲取飛輪偏轉(zhuǎn)的角度和角速度值，同時(shí)使飛輪來(lái)回地朝一個(gè)方向產(chǎn)生加大偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度，從而使產(chǎn)生的陀螺力矩不斷增大，直至其大小能夠抵抗令縱向兩輪自平衡機(jī)器人產(chǎn)生傾斜的重力距為止；

(5)當(dāng)縱向兩輪自平衡機(jī)器人由傾斜狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到平衡位置時(shí)，主控制單元開(kāi)始使飛輪減速地朝先前相反方向偏轉(zhuǎn)，用于抵消縱向兩輪自平衡機(jī)器人恢復(fù)過(guò)程中的慣性力矩，接著不斷往復(fù)這一個(gè)過(guò)程，最終縱向兩輪自平衡機(jī)器人將保持在平衡位置；

(6)在縱向兩輪自平衡機(jī)器人受到一定程度的側(cè)向沖擊力或非對(duì)稱負(fù)載時(shí)，縱向兩輪自平衡機(jī)器人的平衡策略與步驟(1-5)類似；

(7)當(dāng)按下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)按鈕后，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏控制縱向兩輪自平衡機(jī)器人前進(jìn)還是后退，而運(yùn)動(dòng)速度可以由用戶自行設(shè)置，由后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示在終端上；

(8)當(dāng)避障傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)方向有障礙物時(shí)，主控制單元上的工作指示器開(kāi)始報(bào)警，然后，縱向兩輪自平衡機(jī)器人根據(jù)障礙物的距離自行調(diào)整后輪驅(qū)動(dòng)速度，同時(shí)通過(guò)舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向來(lái)規(guī)避障礙物；

(9)轉(zhuǎn)向的角度由障礙物距離和后輪驅(qū)動(dòng)速度共同決定，而實(shí)際轉(zhuǎn)向的角度和角速度由前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器檢測(cè)，供主控制單元進(jìn)行算法處理。

本發(fā)明縱向兩輪自平衡機(jī)器人基于雙飛輪陀螺效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)自平衡，其控制系統(tǒng)采用自適應(yīng)控制算法以及通過(guò)在線辨識(shí)使模型逐漸接近實(shí)際，從而使縱向兩輪自平衡機(jī)器人在受到一定程度側(cè)向撞擊力時(shí)可自動(dòng)恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，在承受一定程度非對(duì)稱負(fù)載時(shí)可保持平穩(wěn)狀態(tài)，在遇到明顯的障礙物時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，且具有功能響應(yīng)速度快、修正力矩大、能耗低，噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人，包括依次連接的車頭部分、車身部分、車尾部分，還包括電控箱11、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12、前輪安裝機(jī)構(gòu)13、前輪14、后輪安裝機(jī)構(gòu)15、后輪16；

所述電控箱11安裝在車身部分的腔體內(nèi)，用于安裝電控及供電部件；

所述前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12安裝在車頭部分，用于傳動(dòng)前輪14的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；

所述前輪安裝機(jī)構(gòu)13安裝在前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12上，用于給前輪14提供安裝支架；

所述前輪14安裝在前輪安裝機(jī)構(gòu)13上，用于作為機(jī)器人的承重輪以及改變機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；

所述后輪安裝機(jī)構(gòu)15安裝在車尾部分，用于給后輪16提供安裝支架。

如圖1、圖2所示，一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人及控制系統(tǒng)，安裝在如上所述的一種縱向兩輪自平衡機(jī)器人上，包括：

主控制單元，安裝在電控箱11內(nèi)，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、后輪驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)交互單元、信息檢測(cè)單元、供電單元51連接，用于控制機(jī)器人動(dòng)作以及讀取檢測(cè)信號(hào)；

雙陀螺平衡部件，安裝在車身部分的內(nèi)腔里，用于保持機(jī)器人的平衡；

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，安裝在車頭部分，包括依次電連接的舵機(jī)41、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12從而改變前輪14轉(zhuǎn)向的角度大小；

后輪驅(qū)動(dòng)單元，安裝在后輪安裝機(jī)構(gòu)15，用于驅(qū)動(dòng)后輪16前進(jìn)、后退以及剎車；

人機(jī)交互單元，安裝在車頭部分，用于顯示電控系統(tǒng)的各種信息以及響應(yīng)用戶的操作輸入；

信息檢測(cè)單元，安裝在機(jī)器人相應(yīng)的檢測(cè)位，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、后輪驅(qū)動(dòng)單元連接，用于檢測(cè)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

供電單元，安裝在電控箱11內(nèi)，分別與雙陀螺平衡部件、舵機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、后輪驅(qū)動(dòng)單元、人機(jī)交互單元、信息檢測(cè)單元，用于給整個(gè)系統(tǒng)供電以及對(duì)電源進(jìn)行管理。

所述主控制單元包括：

微處理器，分別與信號(hào)調(diào)理電路、存儲(chǔ)區(qū)域、工作指示器連接，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自平衡控制算法，用于數(shù)據(jù)處理和發(fā)送命令，用于與外部功能模塊進(jìn)行通信；

信號(hào)調(diào)理電路，用于各路傳感器信號(hào)的濾波、放大和采集；

存儲(chǔ)區(qū)域，用于保存初始化配置參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄操作過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

工作指示器，用于指示系統(tǒng)成功運(yùn)行或故障報(bào)警。

如圖1、圖2所示，所述雙陀螺平衡部件包括：

兩個(gè)飛輪31，固定安裝在車身部分，用于在高速自轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生保持機(jī)器人平衡的陀螺力矩；

兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)32，一對(duì)一地與兩個(gè)飛輪31安裝連接，用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)飛輪31高速自轉(zhuǎn)；

無(wú)刷電調(diào)裝置，分別與兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)32電連接，用于調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)32的轉(zhuǎn)速；

飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置34，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)飛輪31以相反方向的同步偏轉(zhuǎn)從而自平衡的陀螺力矩，同時(shí)抵消單飛輪陀螺效應(yīng)存在的不利力矩；

飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，包括依次電連接的飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)33、飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置34。

如圖1、圖2所示，所述供電單元51包括依次連接的充電電池組、電源管理模塊；

所述充電電池組，安裝在電控箱11內(nèi)，用于提供直流電源給機(jī)器人；

所述電源管理模塊，安裝在電控箱11內(nèi)，用于管理與監(jiān)測(cè)充電電池組。

所述后輪驅(qū)動(dòng)單元包括依次電連接的輪轂電機(jī)61、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

所述輪轂電機(jī)61，與所述后輪16進(jìn)行機(jī)械連接，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人后輪16的前后運(yùn)動(dòng)；

所述輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于控制輪轂電機(jī)61的啟停、轉(zhuǎn)速和剎車。

如圖1、圖2所示，所述信息檢測(cè)單元包括：

飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器71，分別與所述飛輪31、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量飛輪31自轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器75，分別與所述飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)32、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量飛輪31產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

姿態(tài)儀，安裝在機(jī)器人上，與所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量縱向兩輪平衡機(jī)器人側(cè)向傾斜角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器72，分別與所述輪轂電機(jī)61、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量后輪16的轉(zhuǎn)速并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器74，分別與所述舵機(jī)41、所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量前輪14轉(zhuǎn)向的角度和角速度并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元；

避障傳感器73，安裝在車頭部分的最前端，與所述信號(hào)調(diào)理電路連接，用于測(cè)量障礙物的距離并將測(cè)量參數(shù)反饋到所述主控制單元。

如圖1、圖2所示，所述人機(jī)交互單元包括高清攝像頭81、觸摸屏82、WIFI通信模塊；

所述高清攝像頭81，安裝在車頭部分的最前端，與WIFI通信模塊83連接，用于獲取路況以及障礙物信息等并將信息傳輸?shù)絎IFI通信模塊83；

所述觸摸屏82，與所述主控制單元連接，用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人整個(gè)狀態(tài)信息，同時(shí)響應(yīng)用戶操作事件；

所述WIFI通信模塊83，分別與所述主控制單元、高清攝像頭81連接，用于回傳機(jī)器人的狀態(tài)信息至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端中，同時(shí)接收計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端的命令與數(shù)據(jù)，包括TTL串口、USB接口；

所述TTL串口，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換等方式與所述主控制單元連接，用于將WIFI通信模塊83接收到的電腦端或移動(dòng)終端的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給所述主控制單元，配置機(jī)器人的工作參數(shù)，同時(shí)回傳機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端；

所述USB接口，與高清攝像頭81的USB口連接，用于通過(guò)WIFI信號(hào)將高清攝像頭圖像傳輸至計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端。

如圖1、圖2所示，所述微處理器包括依次連接的CPU核心、外設(shè)接口；

所述CPU核心，為ARM控制器，用于計(jì)算與控制機(jī)器人自平衡過(guò)程，用于采集與處理各路傳感器數(shù)據(jù)，用于處理接收與發(fā)送的命令，用于ADC轉(zhuǎn)換，用于產(chǎn)生不同頻率、占空比的PWM波；

所述外設(shè)接口，用于CPU核心與外部功能模塊之間的數(shù)據(jù)與命令傳輸，包括以下至少一種接口：

普通I/O口，分別與飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器71、后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器72、前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器74、飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器75、避障傳感器73連接，用于獲取飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器71與后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器72的數(shù)字信號(hào)、前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器74與飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器75的模擬信號(hào)、避障傳感器73的脈沖信號(hào)；

光耦隔離I/O口，分別與無(wú)刷電調(diào)裝置、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，用于使能信號(hào)控制(即輸出PWM信號(hào)調(diào)節(jié))無(wú)刷電調(diào)裝置、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器和飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的；

UART接口，與姿態(tài)儀連接，用于讀取姿態(tài)儀中機(jī)器人姿態(tài)信息與傾斜角速度數(shù)據(jù)，用于與WIFI通信模塊83以接收計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端的命令或者回傳機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；

RS485接口，與觸摸屏82連接，用于與觸摸屏82的通信以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人狀態(tài)信息，同時(shí)響應(yīng)用戶操作事件。

如圖1、圖2所示，所述觸摸屏82包括：

命令操作區(qū)域，用于向所述微處理器發(fā)送相應(yīng)的控制命令，包括系統(tǒng)復(fù)位按鈕、飛輪啟停按鈕和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)按鈕等；

信息顯示區(qū)域，用于顯示機(jī)器人當(dāng)前的工作狀態(tài)信號(hào)；

配置區(qū)域，用于顯示與設(shè)置各參數(shù)值。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自平衡與自主避障的工作流程如下：

(1)系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏，可讀取與設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)值；

(2)用戶按下飛輪啟停按鈕，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)飛輪由靜止開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，使兩個(gè)飛輪朝相反的方向自轉(zhuǎn)，直至其轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上且保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)(具體多少由配置參數(shù)值決定)，而飛輪自轉(zhuǎn)的速度由采用旋轉(zhuǎn)編碼器的飛輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器測(cè)量，然后由主控制單元實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏上；

(3)當(dāng)飛輪達(dá)到恒速運(yùn)轉(zhuǎn)后，飛輪偏轉(zhuǎn)電機(jī)自動(dòng)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，通過(guò)飛輪同步偏轉(zhuǎn)裝置使兩個(gè)飛輪同步朝相反方向產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生用于縱向兩輪自平衡機(jī)器人自動(dòng)平衡的陀螺力矩；

(4)主控制單元通過(guò)飛輪偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器不斷獲取飛輪偏轉(zhuǎn)的角度和角速度值，同時(shí)使飛輪來(lái)回地朝一個(gè)方向產(chǎn)生加大偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度，從而使產(chǎn)生的陀螺力矩不斷增大，直至其大小能夠抵抗令縱向兩輪自平衡機(jī)器人產(chǎn)生傾斜的重力距為止；

(5)當(dāng)縱向兩輪自平衡機(jī)器人由傾斜狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到平衡位置時(shí)，主控制單元開(kāi)始使飛輪減速地朝先前相反方向偏轉(zhuǎn)，用于抵消縱向兩輪自平衡機(jī)器人恢復(fù)過(guò)程中的慣性力矩，接著不斷往復(fù)這一個(gè)過(guò)程，最終縱向兩輪自平衡機(jī)器人將保持在平衡位置；

(6)在縱向兩輪自平衡機(jī)器人受到一定程度的側(cè)向沖擊力或非對(duì)稱負(fù)載時(shí)，縱向兩輪自平衡機(jī)器人的平衡策略與步驟(1-5)類似；

(7)當(dāng)按下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)按鈕后，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端或觸摸屏控制縱向兩輪自平衡機(jī)器人前進(jìn)還是后退，而運(yùn)動(dòng)速度可以由用戶自行設(shè)置，由后輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示在終端上；

(8)當(dāng)避障傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)方向有障礙物時(shí)，主控制單元上的工作指示器開(kāi)始報(bào)警，然后，縱向兩輪自平衡機(jī)器人根據(jù)障礙物的距離自行調(diào)整后輪驅(qū)動(dòng)速度，同時(shí)通過(guò)舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向來(lái)規(guī)避障礙物；

(9)轉(zhuǎn)向的角度由障礙物距離和后輪驅(qū)動(dòng)速度共同決定，而實(shí)際轉(zhuǎn)向的角度和角速度由前輪轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)傳感器檢測(cè)，供主控制單元進(jìn)行算法處理。

本發(fā)明縱向兩輪自平衡機(jī)器人基于雙飛輪陀螺效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)自平衡，其控制系統(tǒng)采用自適應(yīng)控制算法以及通過(guò)在線辨識(shí)使模型逐漸接近實(shí)際，從而使縱向兩輪自平衡機(jī)器人在受到一定程度側(cè)向撞擊力時(shí)可自動(dòng)恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，在承受一定程度非對(duì)稱負(fù)載時(shí)可保持平穩(wěn)狀態(tài)，在遇到明顯的障礙物時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，且具有功能響應(yīng)速度快、修正力矩大、能耗低，噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。