專利名稱：一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能機(jī)器人范疇，是ー種通過自主運(yùn)動平衡控制實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(包括乘員)穩(wěn)定行走的機(jī)器人系統(tǒng)，同時也是ー種操作簡單，使用方便的交通工具。
背景技術(shù)：
Segway系列兩輪載人車在機(jī)場安保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但是對于ー些狹窄區(qū)域該兩輪載人車沒辦法到達(dá)，為此Invenst公司開發(fā)了 solowheel獨(dú)輪載人車,獨(dú)輪載人車和兩輪載人車比起來具有體積小方便攜帯等優(yōu)點(diǎn)，因而更加方便使用。眾所周知，騎行獨(dú)輪車是人類(或者其他高智能動物)需要經(jīng)過專門地學(xué)習(xí)和訓(xùn)練才能完成的ー種活動。因?yàn)楠?dú)輪車系統(tǒng)(包括乘員)可以視為ー種倒立擺，在騎行獨(dú)輪車的過程中，騎車人需要在前后方向(平面)和左右方向(平面)維持平衡，所以需要較高的運(yùn)動平衡技能才能完成這一任務(wù)。但遺憾的是solowheel沒有側(cè)平衡能力，所以需要長時間訓(xùn)練才可以使用。
申請?zhí)枮?00810000744的發(fā)明專利提出了一種基于姿態(tài)控制的平衡式獨(dú)輪小車，但是顯然該獨(dú)輪小車沒有可以實(shí)現(xiàn)側(cè)平衡的機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)《一種獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)建模與平衡控制》主要對獨(dú)輪機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)建模，沒有對實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人平衡的機(jī)構(gòu)加以詳細(xì)闡述，所提出的控制方案也是在控制領(lǐng)域中常有的對于數(shù)學(xué)模型的仿真控制，而且文獻(xiàn)中亦沒有公開控制方案的具體實(shí)施步驟和方法。我們在先申請的專利《一種獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)及其控制方法》首先公開了使用慣性飛輪實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)平衡的機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)《獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)控制研究》和《六自由度獨(dú)輪機(jī)器人本體研制及動力學(xué)控制方法研究》借鑒使用，并將慣性飛輪替換成垂直轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)側(cè)平衡。我們在先申請的專利《自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)及控制方法》(申請?zhí)枮?01010579927. 7)專利中對機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，信號的傳遞流程，機(jī)電的連接，具體的控制步驟均未作出充分的公開，而且獨(dú)輪車的側(cè)平衡控制不是本領(lǐng)域技術(shù)人員的公有知識故借助之前的文獻(xiàn)和專利無法實(shí)現(xiàn)對獨(dú)輪載人自平衡車得到控制，基于以上調(diào)研，為彌補(bǔ)之前發(fā)明的不足，我們特提出新的發(fā)明專利請求。本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是應(yīng)用自主機(jī)器人的運(yùn)動平衡控制技術(shù)，模擬人類騎行獨(dú)輪車時的控制技巧，建立相應(yīng)的機(jī)械和控制系統(tǒng)，使自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)在行走和站立兩種狀態(tài)下在前后方向和左右方向都能夠?qū)崿F(xiàn)自主平衡控制，從而使得無須專門訓(xùn)練即可簡便地騎行獨(dú)輪車。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)ー種能夠載人的自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)。不僅可以作為ー種開放式智能機(jī)器人研究開發(fā)平臺，為運(yùn)動控制、機(jī)器人和人工智能等領(lǐng)域的研究和教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)對象，還是ー種充滿趣味的娛樂設(shè)施和一種靈活便捷的交通工具。本發(fā)明涉及ー種自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)，其前后控制基于本領(lǐng)域內(nèi)工作的前后移動行走輪原理，側(cè)向平衡控制基于以下原理和實(shí)施方式I角動量守恒，請參閱圖5，將獨(dú)輪車抽象為慣性平衡輪和車體兩個部分，依據(jù)角動量守恒，當(dāng)慣性平衡輪順時針旋轉(zhuǎn)吋，為保證角動量守恒，車體將逆時針旋轉(zhuǎn)，這樣就將獨(dú)輪車從向右側(cè)傾斜控制到豎直平衡位置。2牛頓第二定律，請參閱圖5，當(dāng)獨(dú)輪車順時針傾斜(偏向右側(cè))時，平衡輪6輪轂電機(jī)對平衡輪6輸出順時針方向カ矩，驅(qū)動平衡輪6順時針旋轉(zhuǎn)，依據(jù)牛頓第二定律平衡輪6將給輪轂電機(jī)ー個逆時針方向的反カ矩，使得獨(dú)輪車整體逆時針旋轉(zhuǎn)至平衡位置(即Φ為O)。ー種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，其特征在于，含有多個傳感器、慣性平衡輪
6、車體16，3、行走輪I、控制手柄13、伺服驅(qū)動器8，9和控制器10，其中多個所述傳感器，包括行走輪測速編碼器2、平衡輪測速編碼器7、控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器14和陀螺儀12，其中行走輪測速編碼器2和所述的行走輪I同軸連接，用于測量所述獨(dú)輪車的行駛速度V，且行走輪行駛速度V為正時表示前行，為負(fù)時表示后退， 平衡輪測速編碼器7和所述的平衡輪6同軸連接，用于測量所述平衡輪6的轉(zhuǎn)速，駕駛員面對前進(jìn)方向時逆時針方向?yàn)檎槙r針方向?yàn)樨?fù)，控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器14與所述的控制手柄13同軸連接，順時針扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度Y為正；逆時針方向扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度Y為負(fù)，用于給定所述獨(dú)輪車的期望行駛速度給定值VE，所述控制器通過扭轉(zhuǎn)角度Y與期望行駛速度VE映射關(guān)系計(jì)算得出所述的期望行駛速度VE，且VE為正表示前迸，VE為負(fù)表示后退，陀螺儀12用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角度Θ和作用左右方向的橫滾角度Φ，其中俯仰角Θ為正表示向前傾斜，反之為向后傾斜；駕駛員時面對前進(jìn)方向時橫滾角Φ為正表示逆時針向左傾斜，反之表示向右傾斜，慣性平衡輪6，簡稱平衡輪6，下同，同軸連接著ー個平衡輪驅(qū)動電機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)向平衡控制駕駛員面對前進(jìn)方向時當(dāng)所述獨(dú)輪車逆時針向左側(cè)傾斜時，所述的平衡輪驅(qū)動電機(jī)對所述平衡輪6輸出逆時針方向轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動所述平衡輪6逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)，同時所述平衡輪6將給平衡輪驅(qū)動電機(jī)ー個順時針方向的反カ矩，使車體順時針方向旋轉(zhuǎn)至豎直平衡位置，反之亦然，車體，包括車架16和載人踏板3，其中車架16，是中空的，分割成下述幾個倉，從下到上分別為電池倉4、儲物倉5、平衡輪倉和器件倉，其中電池倉4，內(nèi)裝電池向各個傳感器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和控制器供電，器件倉，設(shè)有平行固定在所述器件倉底面上的行走輪伺服驅(qū)動器8和平衡輪伺服驅(qū)動器9，位于所述行走輪輪伺服驅(qū)動器8和平衡輪伺服驅(qū)動器9上方且固定在所述器件倉內(nèi)倉壁上的控制器10，位于所述控制器10正上方的陀螺儀12，載人踏板3，對稱地安裝在所述電池倉4下方的車架的左右兩側(cè)，各自與所述的車架16用活頁連接，行走輪1，同軸連接ー個行走輪驅(qū)動電機(jī)，所述行走輪I與地面點(diǎn)接觸，且嵌入所述車架左右內(nèi)側(cè)，且與連接軸固定連接，所述行走輪I的軸線與所述平衡輪6的軸線在空間正交，控制手柄13，安裝在所述器件倉左右兩側(cè)，同軸固定連接著一個所述控制手柄角度扭轉(zhuǎn)編碼器14，用于將所述控制手柄的扭轉(zhuǎn)角度輸入到所述控制器10中，控制器単元，設(shè)有DSP處理器10，顯示屏15、行走輪伺服驅(qū)動器8和平衡輪伺服驅(qū)動器9，其中顯示屏15，輸入與所述DSP處理器10的輸出顯示信號相連，所述顯示屏15位于所述器件倉上表面上，用于顯示實(shí)時電池電量，車速等信息，行走輪伺服驅(qū)動器8，用于驅(qū)動所述行走輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器10的行走輪I控制信號輸出端相連，輸出端與所述行走輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號，平衡輪伺服驅(qū)動器9，用于驅(qū)動所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器10的平衡輪6控制信號輸出端相連，輸出端與所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號，DSP處理器10，設(shè)有控制手柄扭轉(zhuǎn)角度信號輸入端，與所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器14的輸出端相連；平衡輪速度信號輸入端，與所述平衡輪測速編碼器7的輸出端相連；行走輪速度信號輸入端，與行走輪測速編碼器2輸出端相連；陀螺儀12信號輸入端，與所 述陀螺儀信號輸出端相連，所述DSP處理器10依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)所述獨(dú)輪車的自平衡載人行駛控制步驟(1)，設(shè)定左手笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)系原點(diǎn)位于所述行走輪與地面的接觸點(diǎn)上Z軸與所述車架的軸線相重合，向上為正，X軸與行走輪軸線重合，向左為正，Y軸與X軸和Z軸正交，前進(jìn)方向?yàn)檎?，所述俯仰角Θ，在YOZ平面上，向前為正，向后為負(fù)，所述左右側(cè)橫滾角Φ，在XOZ平面上，駕駛員面對前進(jìn)方向時向左為正，向右為負(fù)，步驟(2) DSP處理器初始化，設(shè)定以下參數(shù)采用時間間隔At=O. 01S，行走輪電機(jī)控制量步長Aux=O. 2V，平衡輪電機(jī)控制量步長Λup=0. 02V，俯仰角容許控制誤差ξ θ=0. 5°，橫滾角容許控制誤差ξΦ=0. 2°，所述獨(dú)輪車平衡靜止時，Φ0=0，Θ 0=0, y0=0, VO=O,預(yù)置所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度Y與期望行駛速度VE的函數(shù)關(guān)系，VE=kl Y為正比例函數(shù)關(guān)系，kl e [1,20], γ e [-20, 50],預(yù)置所述期望俯仰角Θ E與行駛速度VE的函數(shù)關(guān)系，ΘΕ=15Χ (arctanVE)/(O. 5 3i) (VE e [-20, 50],預(yù)置所述期望橫滾角ΦΕ=0，步驟(3)在一個控制周期內(nèi)，所述DSP處理器讀取陀螺儀實(shí)時的俯仰角Θ和橫滾角Φ，步驟(4)，所述的控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器將扭轉(zhuǎn)角度Y輸入DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)輸入扭轉(zhuǎn)角度Y，根據(jù)預(yù)置的Y-VE函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的行駛速度VE，然后根據(jù)預(yù)置的VE- Θ E函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的俯仰角ΘΕ，步驟(5)，若Φ>30°或θ>45°，則停止行駛，平衡輪停止旋轉(zhuǎn)，否則進(jìn)入步驟(6)步驟(6)，所述DSP處理器根據(jù)實(shí)時測量的Θ和Φ及計(jì)算Θ E進(jìn)行如下控制
若I φ-0|彡ξ φ且I θ - Θ El彡ξ θ則原速行駛，行走輪控制量和平衡輪控制量保持不變，若I φ-ο|彡ξ Φ吋，則判斷Φ符號，若為正，則平衡輪控制量増加一個步長ΛUP，使得平衡輪逆時針加速旋轉(zhuǎn)；若為負(fù)，則平衡輪控制量減小一個步長Λ φ，使得平衡輪順時針加速旋轉(zhuǎn)，若I Θ-ΘΕ|彡ξ Θ吋，先判斷(Θ-ΘΕ)符號，若為正，則行走輪控制量減小一個步長△! ，使得行走輪減速；若為負(fù)，則行走輪控制量増大一個步長Aux，使得行走輪加速，步驟(6)，一個控制周期內(nèi)程序終止，轉(zhuǎn)步驟(3)循環(huán)。當(dāng)駕駛員不扭轉(zhuǎn)控制手柄13時，獨(dú)輪車將保持原地靜止平衡狀態(tài)。所述的控制器和陀螺儀之間安裝有加速度計(jì)傳感器，用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角加速度和作用左右方向的橫滾角加速度，且加速度計(jì)信號輸出端與所述DSP處理器信號輸入端相連，在上述的流程步驟(3)中，所述的DSP處理器在讀取實(shí)時的陀螺儀數(shù)據(jù)同時讀取加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，并用加速度計(jì)的數(shù)據(jù)校正陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出精度更高的俯仰角Θ和橫滾角Φ。加速度計(jì)11是用于校正陀螺儀12的累積誤 差，通過卡爾曼濾波預(yù)測算法可以獲取準(zhǔn)確的獨(dú)輪車姿態(tài)，即俯仰角Θ和橫滾角Φ，具體算法為本領(lǐng)域內(nèi)成熟的算法，具體請見秦永元《慣性導(dǎo)航》ー書。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果一、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)是ー種智能自平衡機(jī)器人。因?yàn)槠洫?dú)輪行走的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以簡化為ー個與支撐平面點(diǎn)接觸、可以在支撐點(diǎn)向前后左右任意方向傾倒的倒立擺模型，所以該獨(dú)輪車可以作為機(jī)器人運(yùn)動平衡控制、自動控制和智能控制算法、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等學(xué)科領(lǐng)域的典型研究對象和平臺，滿足這些學(xué)科領(lǐng)域教學(xué)和科研的需要。ニ、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)是ー種很有趣味性的娛樂器材和很有實(shí)用性的交通工具。因?yàn)椴捎昧霜?dú)輪行走機(jī)構(gòu)和手柄控制機(jī)構(gòu)，該獨(dú)輪車系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，行走靈活的特點(diǎn)；又因?yàn)樵谧笥曳较虿捎昧似胶廨?飛輪)系統(tǒng)作為平衡控制機(jī)構(gòu)，以及在前后方向采用了針對行走輪的平衡控制策略，這使得一個沒有經(jīng)過專門訓(xùn)練的人也可以很容易地操控該獨(dú)輪車系統(tǒng)，所以該獨(dú)輪車系統(tǒng)可以象segway兩輪車一樣廣泛地應(yīng)用于休閑娛樂和交通代步等場合。三、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)具有開放式結(jié)構(gòu)，其所有組件單元均采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以方便地拆卸和更換。這種設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)的裝配和維護(hù)，也有利于用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗难b以增加新的性能，這ー特點(diǎn)對于本獨(dú)輪車系統(tǒng)作為優(yōu)點(diǎn)一所述的教學(xué)科研平臺是十分重要的。即當(dāng)獨(dú)輪車系統(tǒng)作為機(jī)器人使用時，用戶可以很方便地在其所具有的姿態(tài)控制和運(yùn)動平衡控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)和研究其它的智能行為和控制功能。比如，在獨(dú)輪車系統(tǒng)中如果增加視覺系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以使其成為ー個具有視覺導(dǎo)航功能的自治機(jī)器人系統(tǒng)。


圖I為載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)及參考坐標(biāo)系；圖2為載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；其中I行走輪；2行走輪測速編碼器；3載人踏板；4電池；5儲物倉；6平衡輪；7平衡輪測速編碼器；8行走輪伺服驅(qū)動器；9平衡輪伺服驅(qū)動器；10控制器；11加速度計(jì)；12陀螺儀；13控制手柄；14控制手柄角度編碼器；15顯示屏圖3為載人自平衡獨(dú)輪車的電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為獨(dú)輪車系統(tǒng)在前后方向的平衡控制原理；圖5為獨(dú)輪車系統(tǒng)在左右方向的平衡控制原理；圖6為獨(dú)輪車系統(tǒng)運(yùn)動控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例加以說明。
建立載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)的空間參考坐標(biāo)系如圖I所示。圖中，以獨(dú)輪車行走 輪(9)與地面的接觸點(diǎn)為空間參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立左手坐標(biāo)系，Y軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的前進(jìn)方向，X軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的左側(cè)方向，Z軸正方向?yàn)楠?dú)輪車站立時的向上方向。XOZ平面為獨(dú)輪車在左右方向上傾側(cè)角度的平面，且其橫滾角為Φ ;Υ0Ζ平面為獨(dú)輪車在前后方向上傾斜角度的平面，且其俯仰角為Θ，當(dāng)獨(dú)輪車定點(diǎn)平衡(靜止站立)時，控制器保持橫滾角Φ和俯仰角Θ均為零，即車體的軸線與Z軸重合。 本發(fā)明的載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)包括行走輪單元和平衡輪單元兩部分。請參閱圖2所示，機(jī)架16構(gòu)成機(jī)器人的主體框架，包括位于機(jī)架下部的用于安放電池4的電源倉，位于機(jī)架中下部的用來儲物的儲物倉5，位于機(jī)架中上部的用于安放平衡輪(6)的平衡輪箱，位于機(jī)架上部的器件倉，以及用于乘員站立的載人踏板3，用于控制獨(dú)輪車前進(jìn)后退速度的控制手柄13等。行走輪機(jī)構(gòu)采用驅(qū)動電機(jī)的獨(dú)輪行走機(jī)構(gòu)，安裝在機(jī)架的下方，行走輪I在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)向前向后的運(yùn)動。平衡輪6采用輪轂電機(jī)驅(qū)動，安裝在機(jī)架上部的平衡輪箱內(nèi)，平衡輪6的軸線和行走輪I的軸線在空間正交，平衡輪6在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)左右方向的平衡。載人自平衡獨(dú)輪車的電氣系統(tǒng)包括傳感器組件，控制單元，執(zhí)行組件和電源等4個部分，如圖3所示。請參閱圖2，傳感器組件包括位于器件倉內(nèi)的加速度計(jì)11、陀螺儀12和行走輪測速編碼器2、平衡輪測速編碼器7、控制手柄角度編碼器14。其中加速度計(jì)11、陀螺儀12用于獲取獨(dú)輪車的姿態(tài)信息，它們用于檢測獨(dú)輪車在平面和平面內(nèi)的傾角信息，這兩個傾角信息分別反映了獨(dú)輪車在前后方向(俯仰)和左右方向(側(cè)傾)的傾斜程度。請參閱圖2所示，電池4位于機(jī)架16中下部的電源艙內(nèi)，由鋰電池和相應(yīng)的變壓裝置構(gòu)成，用于向控制器10、行走輪I輪轂電機(jī)和平衡輪6輪轂電機(jī)供電，控制器10分別向行走輪測速編碼器2、平衡輪測速編碼器7、行走輪伺服驅(qū)動器8、平衡輪伺服驅(qū)動器9、加速度計(jì)11、陀螺儀12、控制手柄角度編碼器14和人機(jī)交互界面15供電。請參閱圖3，載人自平衡獨(dú)輪車的控制單元采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器。請參閱圖4所示，當(dāng)獨(dú)輪車在前進(jìn)過程中向前傾倒，即在YOZ平面內(nèi)向逆時針方向傾斜ー個角度Θ (大于當(dāng)前時刻獨(dú)輪車平穩(wěn)運(yùn)行的期望傾角)時，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息計(jì)算出獨(dú)輪車當(dāng)前時刻在YOZ平面內(nèi)(前后方向)實(shí)際傾角Θ與期望傾角Θ E之間的差值，進(jìn)行行走輪控制量按步長逐步變化控制，驅(qū)動行走輪I加減速，使得獨(dú)輪車實(shí)際俯仰角與期望俯仰角的差的絕對值在容許誤差ξ Θ范圍內(nèi)(使得獨(dú)輪車在YOZ平面內(nèi)的實(shí)際傾斜角度與期望傾斜角度幾乎一致)，從而取得良好的動態(tài)平衡效果。請參閱圖5關(guān)于獨(dú)輪車在左右方向進(jìn)行平衡控制的原理，圖中平衡輪箱的箱蓋打開，顯示飛輪及其輪轂電機(jī)。(面對獨(dú)輪車前進(jìn)方向)當(dāng)獨(dú)輪車向左側(cè)傾倒，即在XOZ平面內(nèi)向逆時針方向傾斜ー個角度Φ，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息計(jì)算出獨(dú)輪車當(dāng)前時刻在左右方向上實(shí)際傾角Φ與期望傾角ΦΕ之間的差，進(jìn)行平衡輪控制量按步長逐步増大平衡輪控制量，驅(qū)動平衡輪6產(chǎn)生ー個逆時針方向的正的角加速度，于是根據(jù)動量守恒定理，獨(dú)輪車將獲得ー個在XOZ平面內(nèi)逆時針方向的轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于獲得一個將獨(dú)輪車扶正的力F，這樣就可以使得獨(dú)輪車的實(shí)際傾斜角度Φ與期望傾斜角度ΦΕ—致，從而取得 良好的動態(tài)平衡效果。當(dāng)獨(dú)輪車向右側(cè)傾倒時其控制過程與此類似。實(shí)際上，像這種通過平衡輪實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的方法人們在實(shí)際生活中也經(jīng)常采用。比如當(dāng)一個人站在平衡木(或者其它窄的支撐平面)上并即將失去平衡時，人們會下意識地舉起手臂從上向傾斜方向揮動以恢復(fù)平衡，這時，人揮動手臂的作用就與獨(dú)輪車轉(zhuǎn)動平衡輪的效果是一祥的。就像普通獨(dú)輪車的轉(zhuǎn)彎操作一祥，本發(fā)明所涉及的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎時也是通過乘員扭轉(zhuǎn)身體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，轉(zhuǎn)彎角度的大小由乘員扭轉(zhuǎn)身體的幅度控制。因?yàn)楸据d人獨(dú)輪車系統(tǒng)的行走輪I和平衡輪6均采用驅(qū)動電機(jī)控制其正反轉(zhuǎn)，在直行車體偏向ー側(cè)或轉(zhuǎn)彎時，平衡輪6會作對應(yīng)方向的加速或減速回轉(zhuǎn)運(yùn)動，在前進(jìn)或后退行走時，乘員只需要通過扭轉(zhuǎn)手柄13到中點(diǎn)位置就可以使獨(dú)輪車停止行進(jìn)(定點(diǎn)平衡站立)，所以在本獨(dú)輪車系統(tǒng)中不需要剎車系統(tǒng)，這樣就進(jìn)ー步地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并使操作簡便。出于安全的考慮，只要傳感器組件中的陀螺儀和加速度計(jì)檢測到獨(dú)輪車車體傾斜角度大于30° (即認(rèn)為此時要么乘員已經(jīng)下車，要么乘員和獨(dú)輪車系統(tǒng)已不可能恢復(fù)平衡并即將倒下)，控制系統(tǒng)就會立即自動待機(jī)，使行走輪I和平衡輪6停止轉(zhuǎn)動，從而保護(hù)設(shè)備和人員的安全。在進(jìn)行組裝時，將行走輪I裝配到機(jī)架16的下部，行走輪I的軸線與X軸平行，并用螺母緊固；將平衡輪6及其輪轂電機(jī)組件裝配到機(jī)架16中上部的平衡輪箱中，平衡輪6的軸線與Y軸平行，蓋上平衡輪箱蓋并用螺母緊固；將操控手柄13和載人踏板3分別裝到機(jī)架16的頂部和下部，并用螺釘緊固。將傳感器組件，包括用于檢測獨(dú)輪車系統(tǒng)在XOZ和YOZ平面內(nèi)傾角的陀螺儀和加速度計(jì)，安裝到機(jī)架上部的器件艙中，引出連接線；將控制器，以及用于驅(qū)動行走輪I輪轂電機(jī)的行走輪伺服驅(qū)動器8和用于驅(qū)動平衡輪6驅(qū)動電機(jī)的平衡輪伺服驅(qū)動器9也安裝到機(jī)架上部的器件艙中，引出連接線并蓋好艙蓋；將電源4 (含鋰電池和相應(yīng)的變壓裝置)安裝到電源艙中，引出連接線并蓋好艙蓋；將傳感器組件中的行走輪測速編碼器2、平衡輪測速編碼器7、加速度計(jì)11、陀螺儀12、控制手柄角度編碼器14的連接到控制器10 ;將控制器10連接到行走輪伺服驅(qū)動器8、平衡輪伺服驅(qū)動器9和顯示屏15。本實(shí)施例的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)，其突出的特點(diǎn)在于通過行走輪控制回路實(shí)現(xiàn)在前后方向上的俯仰姿態(tài)平衡，通過平衡輪控制回路實(shí)現(xiàn)在左右方向上的側(cè)傾姿態(tài)平衡，其控制程序流程如圖6所示步驟(I)，開機(jī)并設(shè)定左手笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)系原點(diǎn)位于所述行走輪與地面的接觸點(diǎn)上Z軸與所述車架的軸線相重合，向上為正，
X軸與行走輪軸線重合，向左為正，Y軸與X軸和Z軸正交，前進(jìn)方向?yàn)檎?，所述俯仰角Θ，在YOZ平面上，向前為正，向后為負(fù)，所述左右側(cè)橫滾角Φ，在XOZ平面上，駕駛員面對前進(jìn)方向時向左為正，向右為負(fù)，步驟(2) DSP處理器初始化，設(shè)定以下參數(shù)采用時間間隔At=O. 01S，行走輪電機(jī)控制量步長Aux=O. 2V，平衡輪電機(jī)控制量步長Λup=0. 02V，俯仰角容許控制誤差ξ θ=0. 5°，橫滾角容許控制誤差ξΦ=0. 2°，所述獨(dú)輪車平衡靜止時，Φ0=0，Θ 0=0, y0=0, VO=O,
預(yù)置所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度Y與期望行駛速度VE的函數(shù)關(guān)系，VE=kl Y為正比例函數(shù)關(guān)系，kl e [1,20], γ e [-20, 50],預(yù)置所述期望俯仰角Θ E與行駛速度VE的函數(shù)關(guān)系，ΘΕ=15X (arctanVE)/(0·5π) (VE e [-20, 50],預(yù)置所述期望橫滾角ΦΕ=0，步驟(3)在一個控制周期內(nèi)，所述DSP處理器讀取陀螺儀實(shí)時的俯仰角Θ和橫滾角Φ，步驟(4)，所述的控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器將扭轉(zhuǎn)角度Y輸入DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)輸入扭轉(zhuǎn)角度Y，根據(jù)預(yù)置的Y-VE函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的行駛速度VE，然后根據(jù)預(yù)置的VE- Θ E函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的俯仰角ΘΕ，步驟(5)，若Φ>30°或θ>45°，則停止行駛，平衡輪停止旋轉(zhuǎn)，否則進(jìn)入步驟
(6)步驟(6)，所述DSP處理器根據(jù)實(shí)時測量的Θ和Φ及計(jì)算Θ E進(jìn)行如下控制若丨Φ-0|彡ξ Φ且I θ - θ Ε|彡ξ Θ則原速行駛，行走輪控制量和平衡輪控制量保持不變，若I φ-ο|彡ξ Φ吋，則判斷Φ符號，若為正，則平衡輪控制量増加一個步長Aup，使得平衡輪逆時針加速旋轉(zhuǎn)；若為負(fù)，則平衡輪控制量減小一個步長Aup，使得平衡輪順時針加速旋轉(zhuǎn)，若I Θ-ΘΕ|彡ξ Θ吋，先判斷(Θ-ΘΕ)符號，若為正，則行走輪控制量減小一個步長Aux,使得行走輪減速；若為負(fù)，則行走輪控制量増大一個步長Aux，使得行走輪加速，步驟(6)，一個控制周期內(nèi)程序終止，轉(zhuǎn)步驟(3)循環(huán)。顯然當(dāng)駕駛員不扭轉(zhuǎn)控制手柄時，獨(dú)輪車將保持原地靜止平衡狀態(tài)。使用本實(shí)施例的機(jī)器人時，可按如下步驟操作安裝機(jī)械部件；安裝電氣系統(tǒng)；確認(rèn)機(jī)械和電氣系統(tǒng)各部分的連接正確、可靠；扶正獨(dú)輪車系統(tǒng)，使其處于近似直立狀態(tài)；打開電源開關(guān)，使系統(tǒng)開始工作，獨(dú)輪車系統(tǒng)處于定點(diǎn)平衡狀態(tài)；乘員手扶手柄13，站立到載人踏板3上；扭轉(zhuǎn)操控手柄13，使獨(dú)輪車系統(tǒng)開始載人行走，完成相關(guān)的交通或娛樂任務(wù)；完成載人行走任務(wù)后，扭轉(zhuǎn)操控手柄13到中間位置，使獨(dú)輪車系統(tǒng)處于定點(diǎn)平衡狀態(tài)；關(guān)閉電源，將獨(dú)輪車系統(tǒng)?？客桩?dāng)。本發(fā)明的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)具有明顯的動態(tài)平衡特點(diǎn)，由于其本身特有的復(fù)雜平衡控制的特點(diǎn)，在科研、娛樂和交通領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景除了作為極具特色的便攜交通工具和有趣的娛樂工具外，本發(fā)明還可以作為ー種典型的智能機(jī)器人研究平臺，在其全方位(前后左右)運(yùn)動平衡功能的基礎(chǔ)上添加其它功能，比如視覺、導(dǎo)航等，使其成為ー個理想的智能自主機(jī)器人研究系統(tǒng)。相比于其它靜態(tài)平衡載人機(jī)器人(如四輪移動機(jī)器人)，本發(fā)明具有自主運(yùn)動平衡的顯著特點(diǎn)，即獨(dú)輪車的載人行走過程是ー個自主地運(yùn)動平衡控制過程。由于該系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)為獨(dú)輪，和地面是點(diǎn)接觸方式，獨(dú)輪車是一個立于平面的不受限倒立擺，獨(dú)輪車可能偏離軸向四周的任何ー個方向傾倒。因此要使獨(dú)輪車(含乘員)穩(wěn)定行走，就必須使系統(tǒng)在平面內(nèi)運(yùn)動和靜止過程中，在前后方向(平面)和左右方向(平面)始終維持動態(tài)平衡以保持其始終處于直立狀態(tài)(靜止站立時)或接近直立狀態(tài)(比如，在直線行進(jìn)過程中根據(jù)行走速度向前進(jìn)方向傾斜一定角度，或在轉(zhuǎn)彎過程中根據(jù)轉(zhuǎn)彎的速度和角度向轉(zhuǎn)彎ー側(cè)傾斜一定角度)。相比于其它動態(tài)自平衡載人機(jī)器人(如ニ輪移動機(jī)器人segway)，本發(fā)明具有獨(dú)輪行走的顯著特點(diǎn)，主要體現(xiàn)為以下3個方面(I)如前所述，獨(dú)輪車是在前后(平面)和左右(平面)2個方向的倒立擺，而segway則只是在前后(平面)I個方向的倒立擺，獨(dú)輪車平衡控制的難度更大；(2)獨(dú)輪車作為載人交通工具其結(jié)構(gòu)更為簡單，運(yùn)動更為機(jī)動靈活，適應(yīng)更 為復(fù)雜的環(huán)境，應(yīng)用范圍更廣，而像segway那樣的2輪車對路面平整度和寬闊度的要求更高，轉(zhuǎn)彎半徑也更大，應(yīng)用受到較多限制；(3)作為娛樂工具，獨(dú)輪車運(yùn)動可以完成更多的技巧，也更為有趣，更吸引人。比如原地轉(zhuǎn)身，沿著極窄的路徑行走，在平衡木上行走，甚至還可以完成走鋼絲等高難度的雜耍動作。
權(quán)利要求
1.ー種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，其特征在于，含有多個所述傳感器，包括行走輪測速編碼器(2)、平衡輪測速編碼器(7)、控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器(14)和陀螺儀(12)，其中 行走輪測速編碼器(2)和所述的行走輪(I)同軸連接，用于測量所述獨(dú)輪車的行駛速度V，且行走輪行駛速度V為正時表示前行，為負(fù)時表示后退， 平衡輪測速編碼器(7)和所述的平衡輪(6)同軸連接，用于測量所述平衡輪(6)的轉(zhuǎn)速，駕駛員面對前進(jìn)方向時逆時針方向?yàn)檎?，順時針方向?yàn)樨?fù)， 控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器(14)與所述的控制手柄(13)同軸連接，順時針扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度Y為正；逆時針方向扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度Y為負(fù)，用于給定所述獨(dú)輪車的期望行駛速度給定值Ve，所述控制器通過扭轉(zhuǎn)角度Y與期望行駛速度Ve映射關(guān)系計(jì)算得出所述的期望行駛速度\，且Ve為正表示前迸，Ve為負(fù)表示后退， 陀螺儀(12)用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角度0和作用左右方向的橫滾角度O，其中俯仰角0為正表示向前傾斜，反之為向后傾斜；駕駛員面對前進(jìn)方向時橫滾角①為正表示逆時針向左傾斜，反之表示向右傾斜， 慣性平衡輪(6)，簡稱平衡輪(6)，下同，同軸連接著ー個平衡輪驅(qū)動電機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)向平衡控制駕駛員面對前進(jìn)方向時當(dāng)所述獨(dú)輪車逆時針向左側(cè)傾斜時，所述的平衡輪驅(qū)動電機(jī)對所述平衡輪(6)輸出逆時針方向轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動所述平衡輪(6)逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)，同時所述平衡輪(6)將給平衡輪驅(qū)動電機(jī)ー個順時針方向的反カ矩，使車體順時針方向旋轉(zhuǎn)至豎直平衡位置，反之亦然， 車體，包括車架(16)和載人踏板(3)，其中 車架(16)，是中空的，分割成下述幾個倉，從下到上分別為電池倉(4)、儲物倉(5)、平衡輪倉和器件倉，其中 電池倉(4)，內(nèi)裝電池向各個傳感器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和控制器供電， 器件倉，設(shè)有平行固定在所述器件倉底面上的行走輪伺服驅(qū)動器(8)和平衡輪伺服驅(qū)動器(9)，位于所述行走輪輪伺服驅(qū)動器(8)和平衡輪伺服驅(qū)動器(9)上方且固定在所述器件倉內(nèi)倉壁上的控制器(10)，位于所述控制器(10)正上方的陀螺儀(12)， 載人踏板(3)，對稱地安裝在所述電池倉(4)下方的車架的左右兩側(cè)，各自與所述的車架(16)用活頁連接， 行走輪(I )，同軸連接一個行走輪驅(qū)動電機(jī)，所述行走輪(I)與地面點(diǎn)接觸，且嵌入所述車架左右內(nèi)側(cè)，且與連接軸固定連接，所述行走輪(I)的軸線與所述平衡輪(6)的軸線在空間正交， 控制手柄(13)，安裝在所述器件倉左右兩側(cè)，同軸固定連接著一個所述控制手柄角度扭轉(zhuǎn)編碼器(14)，用于將所述控制手柄的扭轉(zhuǎn)角度輸入到所述控制器(10)中， 控制器単元，設(shè)有DSP處理器(10)，顯示屏(15)、行走輪伺服驅(qū)動器(8)和平衡輪伺服驅(qū)動器(9)，其中 顯示屏(15)，輸入與所述DSP處理器(10)的輸出顯示信號相連，所述顯示屏(15)位于所述器件倉上表面上，用于顯示實(shí)時電池電量，車速等信息， 行走輪伺服驅(qū)動器(8)，用于驅(qū)動所述行走輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器(10)的行走輪(I)控制信號輸出端相連，輸出端與所述行走輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號， 平衡輪伺服驅(qū) 動器(9)，用于驅(qū)動所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)的伺服驅(qū)動器，輸入端與所述DSP處理器(10)的平衡輪(6)控制信號輸出端相連，輸出端與所述平衡輪驅(qū)動電機(jī)相連且向其輸出驅(qū)動電壓信號， DSP處理器(10)，設(shè)有控制手柄扭轉(zhuǎn)角度信號輸入端，與所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器(14)的輸出端相連；平衡輪速度信號輸入端，與所述平衡輪測速編碼器(7)的輸出端相連；行走輪速度信號輸入端，與行走輪測速編碼器(2)輸出端相連；陀螺儀(12)信號輸入端，與所述陀螺儀信號輸出端相連， 所述DSP處理器(10)依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)所述獨(dú)輪車的自平衡載人行駛控制 步驟(I )，設(shè)定左手笛卡爾坐標(biāo)系 坐標(biāo)系原點(diǎn)位于所述行走輪與地面的接觸點(diǎn)上 Z軸與所述車架的軸線相重合，向上為正， X軸與行走輪軸線重合，向左為正， Y軸與X軸和Z軸正交，前進(jìn)方向?yàn)檎? 所述俯仰角e，在YOZ平面上，向前為正，向后為負(fù)， 所述左右側(cè)橫滾角の，在XOZ平面上，駕駛員面對前進(jìn)方向時向左為正，向右為負(fù)， 步驟(2) DSP處理器初始化，設(shè)定以下參數(shù) 采用時間間隔At=O. 01S，行走輪電機(jī)控制量步長Aux=O. 2V，平衡輪電機(jī)控制量步長Aup=0. 02V，俯仰角容許控制誤差I(lǐng)e=O. 5°，橫滾角容許控制誤差I(lǐng)tc=O. 2°， 所述獨(dú)輪車平衡靜止吋，O0=O, 0。=0，Y0=OjV0=O, 預(yù)置所述控制手柄扭轉(zhuǎn)角度Y與期望行駛速度Ve的函數(shù)關(guān)系，Vfk1 Y為正比例函數(shù)關(guān)系，Ic1 G [1,20], y G [-20, 50], 預(yù)置所述期望俯仰角Ge與行駛速度Ve的函數(shù)關(guān)系，0E=15X (arctanVEV(0. 5ji)，Ve g [-20，50]，預(yù)置所述期望橫滾角OE=0， 步驟(3)在一個控制周期內(nèi)，所述DSP處理器讀取陀螺儀實(shí)時的俯仰角0和橫滾角O, 步驟(4)，所述的控制手柄扭轉(zhuǎn)角度編碼器將扭轉(zhuǎn)角度Y輸入DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)輸入扭轉(zhuǎn)角度Y，根據(jù)預(yù)置的Y-Ve函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的行駛速度Ve，然后根據(jù)預(yù)置的Ve- eE函數(shù)關(guān)系計(jì)算出期望的俯仰角0E， 步驟(5)，若0>30°或0>45°，則停止行駛，平衡輪停止旋轉(zhuǎn)，否則進(jìn)入步驟(6) 步驟(6)，所述DSP處理器根據(jù)實(shí)時測量的0和O及計(jì)算eE-行如下控制 若I O-Ol < I &且I 0 - 0 E| < Ie則原速行駛，行走輪控制量和平衡輪控制量保持不變， 若I 0-0|則判斷O符號，若為正，則平衡輪控制量増加一個步長Aup，使得平衡輪逆時針加速旋轉(zhuǎn)；若為負(fù)，則平衡輪控制量減小一個步長Aup，使得平衡輪順時針加速旋轉(zhuǎn)， 若I 0 - 0 E|彡I 0吋，先判斷(0 - 0 E)符號，若為正，則行走輪控制量減小一個步長Aux，使得行走輪減速；若為負(fù)，則行走輪控制量増大一個步長Aux，使得行走輪加速， 步驟(6)，一個控制周期內(nèi)程序終止，轉(zhuǎn)步驟(3)循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，其特征在于所述的控制器和陀螺儀之間安裝有加速度計(jì)傳感器，用于測量所述獨(dú)輪車在前后方向的俯仰角加速度和作用左右方向的橫滾角加速度，且加速度計(jì)信號輸出端與所述DSP處理器信號輸入端相連；在上述的流程步驟(3)中，所述的DSP處理器在讀取實(shí)時的陀螺儀數(shù)據(jù)同時讀取加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，并用加速度計(jì)的數(shù)據(jù)校正陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出精度更高的俯仰角9和橫滾角O。
全文摘要
一種基于慣性平衡輪的自平衡載人獨(dú)輪車，屬于智能獨(dú)輪車技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，含有多個傳感器、慣性平衡輪、車體、控制手柄和控制器，控制器中的一個DSP處理器根據(jù)前后方向的俯仰角對行走輪實(shí)行按控制步長的逐步加減速控制；對左右方向橫滾角實(shí)行按步長的逐步改變平衡力矩控制，以達(dá)到側(cè)平衡目的。本發(fā)明具有側(cè)平衡控制和逐步控制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了載人獨(dú)輪車自平衡和加減速控制，使得載人獨(dú)輪車可以平穩(wěn)行駛。
文檔編號B62K11/00GK102815357SQ20121021733
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者阮曉鋼, 朱曉慶, 龔道雄, 于乃功, 魏若巖, 侯旭陽, 馬圣策 申請人:北京工業(yè)大學(xué)