[发明专利]一种自平衡自行车及其控制方法

说明书

本发明提供了一种自平衡自行车，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；解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡。

技术领域

本发明涉及一种自平衡自行车及其控制方法，具体地说是一种可以实现自主平衡的自行车和控制方法，属于机电控制技术领域。

背景技术

自行车是人们日常生活中最常见的交通工具之一，纵观自行车的发展史，在自行车的发展演化过程中，虽然结构简单，但其却蕴含着丰富的科学问题。由于自行车与支撑路面仅有两个接触点，因此从物理本质上是不稳定的，类似于“倒立摆”结构，但是当人为控制自行车，或自行车在适当的速度条件下，自行车却能实现真正的“自行”，呈现了完美的动力学稳定性问题。

目前对于自行车的自平衡的研究主要针对力学模型的建立以及动力学运动学的分析，已有一些研究团队实现在常规自行车上改装，可实现自行车的简单运动平衡，但其运动平衡仅仅针对于自行车向前行驶的情况，且在低速和静止条件下，仍无法实现自行车的自平衡。再有用于验证自行车动平衡的TMS自行车，可在一定的速度下无需任何辅助控制，仅利用自身结构特性实现车体的运动自平衡，对于静止和低速情形，仍无法实现自平衡，且其结构特殊无法正常骑行，仅用于实验验证。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种自平衡自行车，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。

第二方面，本发明提供了一种自平衡自行车的控制方法，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的自平衡自行车通过转向电机和可以产生左右方向回复力的平衡装置来调节自行车的平衡，解决了目前对自平衡自行车仅局限于运动平衡的问题，使得自行车可以实现运动以及静止平衡，在车体的参数发生变化时可以通过上位机软件和无线遥控设备实时动态的调整运动学方程参数，使得系统再次达到自平衡状态，大大提高了自平衡自行车的灵活性。