自平衡载人独轮车系统及控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102079348A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102079348A(43)申请公布日2011.06.01(21)申请号201010579927.7(22)申请日2010.12.03(71)申请人北京工业大学地址100124北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人阮晓钢龚道雄于乃功(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人楼艮基(51)Int.Cl.B62K1/00(2006.01)G05B19/418(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图6页(54)发明名称自平衡载人独轮车系统及控制方法(57)摘要一种自平衡载人独轮车系统及控制方法，包括行走单元和控制单元；行走单元的行走轮设置在系统的下方，行走轮的上方设有机架，机架的上方设有平衡轮，平衡轮上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄；机架内设有电源和运动控制单元，操控手柄连接到传感器组件上；控制单元包括：运动控制单元、与运动控制单元连接的操控手柄，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件，以及平衡轮轮毂电机驱动单元和行走轮轮毂电机驱动单元；平衡轮的轴线与行走轮的轴线垂直并且不相交。采用了独轮行走机构，行走灵活；通过轮毂电机控制行走轮和平衡轮的正反转，省略了刹车机构，使操作更为简便；实现了独轮车不同行进速度下在前后方向和左右方向的平衡控制。CN10279348ACCNN110207934802079351A权利要求书1/1页1.自平衡载人独轮车系统，包括行走单元和控制单元；其特征在于：所述的行走单元的行走轮(9)设置在系统的下方，行走轮(9)的上方设有机架(6)，机架(6)的上方设有平衡轮箱(3)，平衡轮箱(3)内设有控制左右平衡的平衡轮(42)，平衡轮箱(3)的上方设有控制独轮车前后运动速度的操控手柄(2)；所述的机架(6)内设有电源舱(7)和控制器舱(5)，所述的操控手柄(2)连接到传感器组件(11)上；所述的控制单元包括：基于DSP的运动控制单元51，与运动控制单元51连接的操控手柄(2)，由倾角传感器、惯性传感器组成的传感器组件(11)，以及平衡轮轮毂电机驱动单元41和行走轮轮毂电机驱动单元91；所述的平衡轮(42)的轴线与行走轮(9)的轴线垂直并且不相交。2.根据权利要求1所述的自平衡载人独轮车系统，其特征在于：所述的行走轮(9)的二侧设有载人踏板(8)。3.自平衡载人独轮车系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：3.1、设定Y轴正方向为独轮车的前进方向，X轴正方向为独轮车的左侧方向，Z轴正方向为独轮车站立时的向上方向，XOZ平面为独轮车在左右方向上倾侧角度的平面，YOZ平面为独轮车在前后方向上倾斜角度的平面；3.2、通过扭转操控手柄(2)给定独轮车希望的行进速度和转弯角度，零扭转角度为原地静止站立，正的扭转角度表示前进，负的扭转角度表示后退，扭转角度的绝对值越大，希望行进速度的绝对值就越大；3.3、获取传感器组件(11)的参数值，该些参数值包括：独轮车前进过程中向左侧转弯时机架(6)向X轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车在前进过程中向右侧转弯时机架(6)向X轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；在YOZ平面内，独轮车向前行走时机架(6)向Y轴正方向偏离Z轴的希望倾角值；独轮车后退时机架(6)向Y轴负方向偏离Z轴的希望倾角值；3.4、根据从传感器组件(11)获取的机架(6)实际倾角值与希望倾角值之间的误差值，对独轮车的行驶状态进行判断；3.5、应用行走轮控制方法得到行走轮(9)当前的驱动控制量，通过行走轮电机伺服驱动模块91驱动轮毂电机转动，从而获得希望的行进速度和在俯仰方向的平衡；3.6、根据独轮车当前时刻在左右方向上实际倾角与希望倾角之间的误差值，计算出平衡轮(42)的控制量，驱动平衡轮产生一个顺时针或逆时针方向的角加速度，获得一个在XOZ平面内逆时针或顺时针方向的转矩，获得一个将独轮车扶正的力，使得独轮车的实际倾斜角度与希望倾斜角度一致，取得动态平衡。2CCNN110207934802079351A说明书1/6页自平衡载人独轮车系统及控制方法技术领域[0001]本发明属于智能机器人范畴，是一种通过自主运动平衡控制实现独轮车(包括乘员)稳定行走的机器人系统，同时也是一种操作简单，使用方便的交通工具。背景技术[0002]骑行独轮车是人类(或者其他高智能动物)需要经过专门地学习和训练才能完成的一种活动因为独轮车系统(包括乘员)可以视为一种倒立摆，在骑行独轮车的过程中，骑车人需要在前后方向(yoz平面)和左右方向(xoz平面)维持平衡，所以需要较高的运动平衡技能才能完成这一任务。本发明设计的出发点是应用自主机器人的运动平衡控制技术，模拟人类骑行独轮车时的控制技巧，建立相应的机械和控制系统