[实用新型]一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及电动平衡车的技术领域，具体涉及一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统。

背景技术

两轮移动机器人分为同轴两轮(左右分布)和纵向两轮(前后分布)两种。同轴两轮移动机器人具有极强的灵活性且与两足机器人行走有很大的相似性，行业内相关的研究与应用比较多，但是纵向两轮的机器人自平衡的实现极具挑战性。由于纵向两轮平衡机器人是典型的自然不稳定体，在非控制的情况下会左右摆动，而实现自平衡比较困难，因此其平衡控制是一个比较复杂的过程。由于前后两轮结构是不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，在实际应用中还存在许多问题待去解决。

目前国内外研究的重点主要集中在自平衡技术开发上，以及提高平衡稳定性的方法上。自平衡技术包括飞轮陀螺效应法、前轮转向法、重心调整法、反作用力矩法以及上述方法的结合。飞轮陀螺效应法是依靠飞轮陀螺效应产生的陀螺力矩保持稳定；前轮转向法是依靠控制机器人前轮的转向来保持稳定；重心调整法是依靠调整机器人重心来保持稳定；反作用力矩法是依靠驱动转子的反作用力矩来保持稳定。但目前这些方法都存在稳定性不高、能耗大、自主能力缺乏等弱点，且其控制系统设计过于复杂，难以快速地满足实用性要求。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种纵向两轮自平衡机器人及控制系统。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种纵向两轮自平衡机器人，包括依次连接的车头部分、车身部分、车尾部分，还包括电控箱、前轮转向机构、前轮安装机构、前轮、后轮安装机构、后轮；

所述电控箱安装在车身部分的腔体内，用于安装电控及供电部件；

所述前轮转向机构安装在车头部分，用于传动前轮的转向运动；

所述前轮安装机构安装在前轮转向机构上，用于给前轮提供安装支架；

所述前轮安装在前轮安装机构上，用于作为机器人的承重轮以及改变机器人的转向；

所述后轮安装机构安装在车尾部分，用于给后轮提供安装支架。

进一步地，一种纵向两轮自平衡机器人控制系统，安装在如上所述的一种纵向两轮自平衡机器人上，包括：

主控制单元，安装在电控箱内，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元、供电单元连接，用于控制机器人动作以及读取检测信号；

双陀螺平衡部件，安装在车身部分的内腔里，用于保持机器人的平衡；

舵机驱动单元，安装在车头部分，包括依次电连接的舵机、舵机驱动器，用于驱动前轮转向机构从而改变前轮转向的角度大小；

后轮驱动单元，安装在后轮安装机构，用于驱动后轮前进、后退以及刹车；

人机交互单元，安装在车头部分，用于显示电控系统的各种信息以及响应用户的操作输入；

信息检测单元，安装在机器人相应的检测位，分别与双陀螺平衡部件、舵机驱动单元、后轮驱动单元连接，用于检测机器人各种运动参数；

供电单元，安装在电控箱内，分别与双陀螺平衡部件、舵机及驱动模块、后轮驱动单元、人机交互单元、信息检测单元，用于给整个系统供电以及对电源进行管理。

进一步地，所述主控制单元包括：

微处理器，分别与信号调理电路、存储区域、工作指示器连接，用于实现机器人自平衡控制算法，用于数据处理和发送命令，用于与外部功能模块进行通信；

信号调理电路，用于各路传感器信号的滤波、放大和采集；

存储区域，用于保存初始化配置参数，实时记录操作过程中的状态数据；

工作指示器，用于指示系统成功运行或故障报警。

进一步地，所述双陀螺平衡部件包括：

两个飞轮，固定安装在车身部分，用于在高速自转时产生保持机器人平衡的陀螺力矩；

两个无刷电机，一对一地与两个飞轮安装连接，用于驱动两个飞轮高速自转；

无刷电调装置，分别与两个无刷电机电连接，用于调节无刷电机的转速；

飞轮同步偏转装置，用于实现两个飞轮以相反方向的同步偏转从而自平衡的陀螺力矩，同时抵消单飞轮效应存在的不利力矩；

飞轮偏转电机驱动单元，包括依次电连接的飞轮偏转电机、飞轮偏转电机驱动器，用于驱动飞轮同步偏转装置。

进一步地，所述供电单元包括依次连接的充电电池组、电源管理模块；

所述充电电池组，安装在电控箱内，用于提供直流电源给机器人；

所述电源管理模块，安装在电控箱内，用于管理与监测充电电池组。