專利名稱：自平衡兩輪電動車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動車，尤其是兩輪左右分布的電動車。
背景技術：
對于步行街、廣場、游樂場和大型會場等場合，汽車無法通行，步行又令人疲勞。需要有一種可以為人代步、運行靈活、控制方便的特殊車輛。
傳統(tǒng)的人力自行車或電動自行車雖然可以為人代步，但是由于兩輪前后分布，它存在以下的缺點①車輛的轉彎半徑大，無法在小空間范圍靈活運動；②完全依靠駕駛者的身體來人工控制車體的平衡；③無法倒車。
中國專利申請(申請?zhí)?2114794.9)提出的發(fā)明專利《新型電動車》是一種兩輪左右分布的電動車，它利用了高速陀螺角動量守恒原理來保持兩輪車的平衡，但它存在以下缺陷①在有外界干擾(包括人為改變車體運動狀態(tài))的情況下，角動量方向會發(fā)生改變，影響其穩(wěn)定工作；②平衡轉盤體積很大且高速旋轉(10000轉/分)，因而會消耗大量電能，電池使用時間很短。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種在運行過程中自動保持車體平衡，靈活性強且結構簡單、操作容易的自平衡兩輪電動車。
本發(fā)明包括車體、車輪和電驅動系統(tǒng)等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，其特征在于所述車輪與車體之間為轉軸連接，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輪與車體的連接處，角度傳感器安裝在車體上，所述控制電路中存儲或固化了相應的用于控制平衡的軟件。
所述車體上的人體支撐件為桿狀把手，控制開關安裝在把手的手柄或立桿上；或者，人體支撐件為座椅，控制開關安裝在座椅的扶手或腳踏上。
也就是說，本發(fā)明是利用軟件來實現(xiàn)車體的自動平衡，從而簡化了車體的結構。
本發(fā)明的結構僅包括車體、車輪和電驅動系統(tǒng)等。其車輪采用自驅動車輪，即每個車輪中都帶有驅動用的電機、各自單獨驅動。車輪安裝在車體兩側，形成兩輪左右分布結構，以減小車輛的轉彎半徑。車輪與車體之間為轉軸連接，使車體可以繞車輪的轉軸形成水平擺動。車體可以只有車身，或者包括車身和人體支撐件等，應有足夠的承載強度。車身可以是盒式，以便將電源以及控制電路、驅動電路等置于其中；也可以是板式或其它合適的形式，這時電源以及控制電路、驅動電路等要根據(jù)其具體情況來放置。車輪通常安裝在車身上，人體支撐件也安裝在車身上。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，其與車身之間應為固定連接。控制開關通常設置在人體支撐件上，以便于操作。傳感器通常設置在車體上，以便于直接感受車體的運行及平衡狀況?？刂齐娐返暮诵钠骷梢圆捎梦⑻幚砥?、單片機等，驅動電路則采用適當?shù)男问揭允闺姍C能夠正轉、也能反轉。
本發(fā)明所采用的傳感器包括速度傳感器和角度傳感器，通過它們可以測量出車體的運行狀況及平衡狀況、包括兩輪的轉角和車體的傾角的信息，反饋給控制電路，計算出兩輪和車體的角速度及角加速度、從而計算出兩輪所需的電機轉矩，實現(xiàn)對車體的控制。本發(fā)明所采用的控制方程為m4R2+mlR2+Jl+JφR2f2m4R2-JφR2f212mRLm4R2-JφR2f2m4R2+mrR2+Jr+JφR2f212mRL12mRL12mRLJθ+mL2θl··θr··θ··-00000000mgLθlθrθ=MlMr-Ml-Mr]]>其中，Ml為左車輪的電機轉矩，Mr為右車輪的電機轉矩；θl為左車輪的轉角，θr為右車輪的轉角，θ為車體相對于水平面的傾角；Jl、ml和Jr、mr分別為左、右車輪的質量和繞質心的轉動慣量，R為車輪半徑，m為車體及駕駛者的質量之和(駕駛者的質量可取典型量，如70kg)，其質心到轉軸的距離為L，其繞質心在θ角上的轉動慣量為Jθ。
和 則分別為左、右車輪和車體的角加速度，它們是通過θl、θr和θ計算而得。
當車體不運動也不傾斜時，角度傳感器得到車體傾角信號(此時幾乎為零)并送入控制電路，控制電路根據(jù)此信號并綜合左、右車輪速度傳感器的信號(此時也幾乎為零)算出兩輪所需的電機力矩控制量，將該控制量送入驅動電路中，經過功率放大等處理后傳送到驅動車輪的電機中，保持車體原地平衡。當需要車體前進時，駕駛者使車體稍微向前傾斜，角度傳感器得到傾角信號送入控制電路，控制電路根據(jù)此信號并綜合左、右車輪速度傳感器的轉角信號算出兩輪所需的電機力矩控制量，將該控制量送入驅動電路中，經過功率放大等處理后傳送到驅動車輪的電機中，控制車輪向前轉動并始終保持車體平衡。傾角越大，加速越快。當需要減速、剎車或后退時，駕駛者使車體稍微向后傾斜，控制電路同樣可以根據(jù)傳感器信號算出所需反力矩、從而控制車輪向后轉動并始終保持車體平衡。傾角越大，反向加速越快。需要轉彎時，駕駛者通過控制開關給出一個信號，控制電路根據(jù)計算得出左、右輪的不同力矩大小，從而控制車輪分別以不同的速度或方向轉動并始終保持車體平衡，由此可以控制車體轉動到所需方向。
綜上所述，本發(fā)明與已有的電動車比較具有以下優(yōu)點①由于兩輪為左右分布，使車輛的轉彎半徑為零，可以在小空間范圍靈活運動；
②通過軟件計算輸出控制量，由控制電路分別控制兩側車輪，不僅使車體能夠自動保持平衡，而且不需要機械構造的剎車、倒車、平衡系統(tǒng)；使結構簡單，操作方便。
③具有廣泛的用途。如可作為大型廣場或娛樂場所等步行人員、大范圍場地維持秩序的有關人員、紡織車間操作人員、高爾夫球場工作人員等的代步工具；也可應用在人口密集的城市及地區(qū)的電動交通工具。


圖1是本發(fā)明的外形結構示意圖(其中人體支撐件為桿狀把手)。
圖2是本發(fā)明的外形結構示意圖(其中人體支撐件為座椅)。
圖3是本發(fā)明的內部結構示意圖。
圖4、圖5是本發(fā)明的速度傳感器結構示意圖(圖4為正視圖，圖5為側視圖)。
圖6是本發(fā)明的用于控制平衡的軟件流程圖。
圖7是本發(fā)明的電路框圖。
圖8是本發(fā)明的控制電路的線路圖。
圖9是本發(fā)明的驅動電路的線路圖。
具體實施方案下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述(但并不僅限于此實施例)本發(fā)明實施例的外形結構如圖1或2所示。車身由蓋板和底座構成，用螺釘2將蓋板1固定在底座3上而成。左、右車輪6為永磁直流有刷無齒電動輪，電機置于輪轂中，其轉軸通過螺母7固定在車體底座3上。速度傳感器由光電傳感器4和測量盤5構成，讀取固定在車輪6上的測量盤5的轉角信號并傳輸?shù)娇刂齐娐分?，從而計算車輪的轉動角度、角速度和角加速度(測量盤5為帶有格柵的碼盤，其固定在車輪上，可以保證與車輪以相同的速度轉動。光電傳感器4的一端發(fā)出紅外光并由另一端接收。如果碼盤5在其中間轉動，格柵將斷續(xù)切斷光線的傳播，光電傳感器接收由此得到的脈沖信號)。速度傳感器也可以采用測速電機的形式。人體支撐件為桿狀把手9或座椅18，使用固定螺栓8安裝在蓋板1上并可以調節(jié)其傾斜角度以使駕駛者感覺舒適。控制開關包括電源開關及轉向開關，其中電源開關10和轉向開關11均可采用點動式、分別安裝在桿狀把手9上方的手柄處或座椅18的扶手處(也可以根據(jù)需要設置合適的腳踏，將電源開關10和轉向開關11安裝在腳踏上)；或者，轉向開關11采用旋轉電位計式、安裝在桿狀把手9的立桿中部。
本發(fā)明的內部結構見圖3。打開蓋板1后，可以看見固定在底座3內的內部元件。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，安裝在車體上的任意位置均可(圖中所示安裝在控制電路板上)，當車體發(fā)生傾斜時即輸出一個相應的電壓信號到控制電路中，從而計算車體的傾斜角度及其角速度和角加速度。小車的全部能源由作為電源的鉛蓄電池12提供。驅動電路13中采用光電隔離和橋式驅動方式?？刂齐娐放c驅動電路之間的連接關系如圖7所示，兩者的具體線路分別見圖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器中(這是由于所選用的微處理器型號其本身的內部存儲空間有限所致)，其執(zhí)行程序框圖見圖6。
使用時，打開電源開關10，系統(tǒng)啟動，微處理器16開始工作。當車體不運動也不傾斜時，角度傳感器14得到車體傾斜角度信號(此時幾乎為零)并送入微處理器16，由其中的軟件根據(jù)此信號并綜合左、右車輪速度傳感器4的信號(此時也幾乎為零)算出所需力矩，保持車體原地平衡。需要前進時，駕駛者向前傾斜車體，角度傳感器14得到車體傾斜角度信號并送入微處理器16，由其中的軟件根據(jù)此信號并綜合左、右車輪速度傳感器4的信號算出所需力矩，控制車輪6轉動前進并始終保持車體平衡。傾角越大，加速越快；當傾角達到一定角度(視車體及駕駛者質量不同而略有差別)后，加速停止，整車勻速前進。當需要減速、剎車或后退時，駕駛者向后傾斜車體，微處理器16同樣可以根據(jù)各傳感器的信號綜合計算出所需反力矩的大小，控制車輪6產生合適的反力矩，使整車減速、剎車或后退。傾角越大，反向加速越快；當傾角達到一定角度(視車體及駕駛者質量不同而略有差別)后，加速停止，整車勻速后退。需要轉彎時，駕駛者通過轉向開關11(可以點動或轉動)給出一個信號，微處理器根據(jù)信號特征并綜合其它傳感器信號計算得出左、右輪所需的不同力矩大小，利用左、右輪的轉速差，可以控制車體轉動到所需方向。由于控制方程中使用了三維動力學的倒立擺控制原理，在靜止、前進、后退或減速、剎車以及轉彎等各種運行狀態(tài)下，整車能始終保持平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。
本發(fā)明的主要參數(shù)如下車輪使用直徑為16英寸的永磁直流有刷無齒電動輪，車身基本尺寸為520mm×286mm×110mm(長×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，型號為TMS320LF2407。角度傳感器為中科院智能所生產的KY2000型水平儀，光電傳感器的型號為MOCH21A。整車質量約為25公斤。一般人員經10分鐘左右訓練后可以駕駛其任意行走。車體前傾時車子自動加速，后傾時自動減速直至后退。通過控制開關，可原地轉彎任意角度。時速可達10公里每小時。連續(xù)行駛里程約30公里。
權利要求
1.一種自平衡兩輪電動車，包括車體、車輪和電驅動系統(tǒng)等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，其特征在于所述車輪(6)與車體之間為轉軸連接，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輪與車體的連接處，角度傳感器安裝在車體上，所述控制電路(15)中存儲或固化了相應的用于控制平衡的軟件。
2.如權利要求1所述的自平衡兩輪電動車，其特征在于所述車體上的人體支撐件為桿狀把手(9)，控制開關安裝在把手的手柄或立桿上。
3.如權利要求1所述的自平衡兩輪電動車，其特征在于所述車體上的人體支撐件為座椅(18)，控制開關安裝在座椅的扶手或腳踏上。
全文摘要
本發(fā)明是一種自平衡兩輪電動車。它涉及電動車，尤其是兩輪左右分布的電動車。本發(fā)明包括車體、車輪和電驅動系統(tǒng)等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，車輪與車體之間為轉軸連接，速度傳感器和角度傳感器將車輪與車體的轉角及傾角信息傳輸?shù)娇刂齐娐分校闷渲械能浖嬎憧刂屏?，從而控制車輪與車體的運動及平衡狀態(tài)。本發(fā)明是利用倒立擺控制原理來實現(xiàn)車體的自動平衡，從而簡化了車體的結構。在運行過程中自動保持車體平衡，靈活性強且結構簡單、操作容易，可作為大型廣場或娛樂場所、紡織車間、高爾夫球場等工作人員的代步工具；也可作為電動交通工具。
文檔編號B62K11/00GK1502513SQ0213865
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權日2002年11月20日
發(fā)明者張培仁, 屠運武, 張先舟, 張培強, 王久才, 王樺, 賴俊偉, 吳曉東 申請人:中國科學技術大學