[发明专利]一种自平衡自行车及其控制方法

权利要求书

1.一种自平衡自行车，其特征在于，包括车体，车体与主控制器、检测系统、平衡系统和转向系统连接；检测系统包括陀螺仪，用于检测车体的水平状态，并将检测信息传输至主控制器；

转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与车体的车头连接，控制车头转动角度和速度；

平衡系统包括平衡电机、旋转运动机构和配重块，旋转运动机构的一端与配重块连接，另一端与平衡电机连接，平衡电机与主控制器电连接；

主控制器将检测信息经过处理后生成控制信号，控制信号传输至平衡系统和转向系统；

所述主控制器根据以下运动学方程进行处理后生成控制信号：

其中θ代表自行车车体的后框架倾角，δ代表车把转角，φ_r代表后轮转角，y_s代表平衡摆动装置的线位移；m_ij(θ,δ,y_s),i,j＝1,…,4代表自行车系统的质量矩阵；i,j,k＝1,…,4代表二次项前的系数；P_i(θ,δ,y_s),i＝1,…,4代表由重力引起的广义力项；和均代表自行车的广义速度。

2.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述旋转运动机构为偏心摆动体，配重块固定到偏心摆动体的远心端，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。

3.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述旋转运动机构为旋转飞轮，配重块与旋转飞轮的旋转中心有设定距离，配重块的数量根据自行车的质量以及重心的变化进行调节。

4.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述车体还与供电系统连接，供电系统与主控制器、检测系统、平衡系统和转向系统电连接，并提供电能。

5.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述检测系统还包括测速模块，测速模块固定安装在车体的后车轮两侧，用于测量自行车的运动速度。

6.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述车体还与行走系统连接；所述行走系统包括无刷轮毂行走电机，无刷轮毂行走电机与车体的后车轮转轴连接，或，所述行走系统包括伺服传动模块，伺服传动模块由伺服电机和同步带传动机构组成。

7.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述主控制器包括显示屏和通讯模块，显示屏用于查看系统参数信息，通讯模块用于实现与无线遥控设备的远程通讯。

8.如权利要求1所述的自平衡自行车，其特征在于，所述转向系统还包括中空减速器，所述转向电机与中空减速器的输入轴连接，中空减速器的输出轴与车体的车头转轴连接，中空减速器的底座固定在车体上。

9.一种如权利要求1-8任一所述的自平衡自行车的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

按下电源总开关启动系统，通过主控制器查看系统的各个部分的供电及参数信息是否正常；

通过主控制器校准检测系统的陀螺仪，并实时读取检测系统的陀螺仪和测速模块的数据；

建立的自行车的运动学模型，根据自行车车体的倾斜角度θ、倾斜的角速度λ和行走速度μ计算出转向电机的转角δ和角速度β，以及平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α；

通过控制转向电机的转角δ和角速度β使得自行车车体的重心回到车体的正下方；通过控制平衡电机的位置φ、角速度ω和角加速度α可以提供车体在左右方向上的回复力f，通过调节车体的重心以及产生车体左右方向上的回复力f可以维持车体的平衡，以此达到自行车的自平衡。