一種基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于平衡控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及在有外力作用下導(dǎo)致自身失去平衡后的自控 裝置，具體是一種可以安裝在運動物件上、行駛車輛上等橫向不穩(wěn)定系統(tǒng)中起橫向自平衡 作用。
【背景技術(shù)】
[0002] 行駛車輛包括汽車、二輪電動車等，在行駛過程中，由于外界環(huán)境因素，會受到外 力的作用導(dǎo)致在橫向上失去平衡，例如，在碰撞、路面不平整、輪胎側(cè)向打滑時，受到橫向外 力作用時車輛很容易摔倒，穩(wěn)定性不高，在失穩(wěn)的狀態(tài)下就很難進行平衡控制。在有些需要 承載的運動物件上，在運動過程中也會失去平衡，例如提升或下降過程中、向前行進或者轉(zhuǎn) 動的過程中，都會因外界因素導(dǎo)致自身失去平衡。而目前傳統(tǒng)的車輛和運動物件在橫向上 失去平衡時，還無法實現(xiàn)自平衡功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡裝 置及橫向自平衡方法，采用陀螺效應(yīng)的橫向自平衡技術(shù)以抵消橫向擾動，實現(xiàn)橫向的安全 性與穩(wěn)定性。
[0004] 本發(fā)明基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡裝置采用的技術(shù)方案：本發(fā)明最底部是水平的 底板，底板上部固定設(shè)有相對于底板的中心成軸對稱布置的左、右兩套飛輪旋轉(zhuǎn)單元，每套 飛輪旋轉(zhuǎn)單元均包括一個飛輪、一個飛輪支架、一個舵機及一個舵盤，每個所述飛輪均由一 個中心軸垂直于底板的金屬空心圓柱和同軸套在金屬空心圓柱中的一個無刷電機組成，無 刷電機的轉(zhuǎn)子外殼與金屬空心圓柱的內(nèi)壁過盈配合連接，飛輪的上部通過無刷電機的定子 與飛輪支架固定連接，飛輪的下部通過無刷電機的轉(zhuǎn)軸連接飛輪支架；在左側(cè)的飛輪支架 后方設(shè)置左舵機，右側(cè)飛輪支架前方設(shè)置結(jié)構(gòu)與左舵機相同的右舵機，兩個舵機的輸出軸 均呈水平布置且每個舵機的輸出軸上固定套有一個舵盤，每個舵盤均固定連接飛輪支架； 底板的下方設(shè)有控制器及分別連接控制器的傳感器單元、左、右電機輸出驅(qū)動單元和電源 系統(tǒng)，控制器還連接兩個舵機，左電機輸出驅(qū)動單元通過控制線連接位于左側(cè)的無刷電機， 右電機輸出驅(qū)動單元通過信號線連接位于右側(cè)的無刷電機；傳感器單元檢測底板相對于垂 直方向的橫向傾角。
[0005] 本發(fā)明基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡方法采用的技術(shù)方案具有以下步驟： 1) 當(dāng)?shù)装迨芡饬豈O作用由前向后橫向傾斜時，控制器通過左、右電機輸出驅(qū)動單 元驅(qū)動左、右兩側(cè)的無刷電機轉(zhuǎn)速相等、旋轉(zhuǎn)方向相反地運轉(zhuǎn)，傳感器單元檢測傾斜角度 α并反饋給控制器； 2) 當(dāng)傾斜角度α 時，P是控制器預(yù)設(shè)平衡極限角度P，控制器控制兩個舵機以相 同角速度、沿相反轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，使左、右飛輪分別對飛輪支架產(chǎn)生與外力矩MO方向相反 的兩個陀螺力矩力矩MI、M 2，兩個陀螺力矩力矩MI、M 2由后向前作用使底板由后向前回正。
[0006] 當(dāng)兩個陀螺力矩力矩Ml、M2使底板由后向前回正過垂直方向平面時，傳感器 單元檢測到傾斜角度I I 控制器控制兩個舵機以相同的角速度且與各自原轉(zhuǎn) 向相反的方向轉(zhuǎn)動，使左、右飛輪分別對飛輪支架產(chǎn)生與外力矩-MO方向相反的陀螺力 矩-Ml、-M2,兩個陀螺力矩力矩-Ml、-M2由前向后作用使底板由前向后回正。
[0007] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點： 本發(fā)明采用陀螺效應(yīng)提供橫向作用力，提高裝置的橫向穩(wěn)定性，降低橫向擾動對裝置 的影響，在橫向上達(dá)到平衡。本發(fā)明不需要外界的輔助支撐就形成一個穩(wěn)定的平衡體，能提 高所應(yīng)用系統(tǒng)的橫向的安全性與穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡裝置的結(jié)構(gòu)主視示意圖。
[0009] 圖2為圖1的右視示意圖； 圖3為圖1的俯視圖。
[0010] 圖4為本發(fā)明控制系統(tǒng)的組成及其外接示意圖，圖中實心箭頭線表示為電流方向 線，空心箭頭線為輸入輸出信號方向線； 圖5為本發(fā)明裝置產(chǎn)生橫向自平衡的原理圖。
[0011] 圖中：1.底板；2.舵機；3.舵機支撐臺；4.螺釘副；5.軸套；6.支撐架；7.金屬 空心圓柱；8.螺釘；9.飛輪支架；10.舵盤；11.螺栓副；12.無刷電機；13.軸承；14.軸 承；15.螺釘副；17.控制主板箱；18.右電機輸出驅(qū)動單元；19.傳感器單元；20.控制器； 21.左電機輸出驅(qū)動單元；22.電源系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0012] 參照圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明基于陀螺效應(yīng)的橫向自平衡裝置最底部是水平的 底板1，底板1為方形。在底板1的上部固定有左、右兩套飛輪旋轉(zhuǎn)單元，左、右兩套飛輪旋 轉(zhuǎn)單元相對于底板1的中心成軸對稱布置，在運動不干涉的情況下，左、右兩套飛輪旋轉(zhuǎn)單 元在保證可以正常旋轉(zhuǎn)的情況下盡量靠近。每套飛輪旋轉(zhuǎn)單元均包括一個飛輪、一個飛輪 支架9、一個舵機2以及一個舵盤10。飛輪支架9用于連接飛輪與舵機2。左、右兩套飛輪 旋轉(zhuǎn)單元中的左、右兩個飛輪相對于底板1的中心處左右對稱，每個飛輪均連接與其對應(yīng) 的一個飛輪支架9。每個飛輪均由一個無刷電機12和一個金屬空心圓柱7組成，金屬空心 圓柱7的中心軸垂直于底板1，無刷電機12同軸套在金屬空心圓柱7中，并且無刷電機12 的轉(zhuǎn)子外殼與金屬空心圓柱7的內(nèi)壁過盈配合連接，形成飛輪。飛輪的上部通過無刷電機 12的定子以螺釘8與飛輪支架9固定連接，飛輪的下部通過無刷電機12的轉(zhuǎn)軸連接飛輪支 架9,轉(zhuǎn)軸通過嵌在飛輪支架9下部圓盤中的軸承13連接飛輪支架9。
[0013] 在左側(cè)飛輪支架9后方設(shè)置左舵機2,在右側(cè)飛輪支架9前方設(shè)置右舵機2,右舵 機2結(jié)構(gòu)與左舵機2結(jié)構(gòu)相同，左、右兩個舵機2相對于底板1的中心成軸對稱。每個舵機 2均通過四個螺釘副4固定在同側(cè)的舵機支撐臺3上端，舵機支撐臺3下端固定焊接在底板 1上。左、右兩個舵機2的輸出軸均呈水平布置，每個舵機2的輸出軸上套有一個舵盤10， 每個舵盤10各以兩個螺釘副15固定連接在飛輪支架9上。在舵機2和舵盤10的對面，飛 輪支架9通過一個螺栓副11與裝有軸承14的支撐架6連接，支撐架6焊接在底板1上，在 螺栓副11與支撐架6中間套有軸套5,對飛輪支架9進行限位。具體是：左側(cè)舵機2通過 四個螺釘副4固定在位于左側(cè)飛輪支架9后端的左側(cè)舵機支撐臺3上端，左側(cè)舵機支撐臺 3下端焊接于底板1上；左側(cè)舵機2的輸出軸上套有一個舵盤10,該舵盤10以兩個螺釘副 15與左側(cè)飛輪支架9的后端固定連接。
[0014] 左側(cè)飛輪支架9前端通過一個螺栓副11與裝有軸承14的支撐架6連接，支撐架 6焊接在底板1的左側(cè)前端上，在螺栓副11與支撐架6中間套有軸套5,對左側(cè)飛輪支架9 的前后限位。右舵機2通過另外四個螺釘副4固定在位于右側(cè)飛輪支架9前端的右舵機支 撐臺3上端，該右舵機支撐臺3下端焊接于底板1上；右舵機2的輸出軸上套有另一個舵盤 10,該舵盤10以另外兩個螺釘副15與右側(cè)飛輪支架9的前端固定連接。右側(cè)飛輪支架9 后端通過另一個螺栓副11與裝有另一軸承14的另一支撐架6連接，另一支撐架6焊接在 底板1的右側(cè)后端上，在另一螺栓副11與另一支撐架6中間套有軸套5,對右側(cè)飛輪支架9 的前后限位。這樣，兩個飛輪、兩個舵機2、兩個舵機支撐臺3、兩個舵盤10、兩個支撐架6均 分別相對于底板1的中心軸形成軸對稱布置，以達(dá)到平衡重心的目的。
[0015] 參見圖1和圖4,在底板1的下方裝有控制主板箱17,與底板1連為一體。控制主 板箱17中有控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括控制器20、傳感器單元19、左電機輸出驅(qū)動單元21，右 電機輸出驅(qū)動單元18和電源系統(tǒng)22?？刂破?0位于控制主板箱17中部，包括主控制器 和輔助控制器，分別采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MK60N512VLQ10和愛特梅爾半導(dǎo)體公司的 Atmega81?？刂破?0分別連接傳感器單元19、左電機輸出驅(qū)動單元21、右電機輸出驅(qū)動單 元18以及兩個舵機2,左電機輸出驅(qū)動單元21通過控制線連接位于左側(cè)的無刷電機12,右 電機輸出驅(qū)動單元18通過信號線連接位于右側(cè)的無刷電機12,電源系統(tǒng)22給各個單元提 供電源。
[0016] 傳感器單元19采用MPU6050模塊，集成了加速度計和陀螺儀（MPU6050 )，傳感器單 元19與底板1相平行，以檢測底板1及整個裝置相對于堅直方向的橫向傾角，并將橫向傾 角信息送至控制器20,控制器20接收傳感器單元19的橫向傾角信息并控制左、右電機輸出 驅(qū)動單元21、18,以驅(qū)動左、右側(cè)的兩個無刷電機12。左舵機2由舵機控制線引入控制主板 箱17中連接控制器20,左側(cè)的無刷電機12通過控制線接左電機輸出驅(qū)動單元21，右側(cè)的 無刷電機12通過控制線接右電機輸出驅(qū)動單元18,左、右電機輸出驅(qū)動單元21、18均為無 刷電機驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路上臂采用P型MOS晶體管IRFR5305,下臂采用N型MOS晶體管 IRFR1205。電源系統(tǒng)22由保護電路、初級高壓降壓電源盒、次級低壓降壓電源等組成，由外 部直流