[发明专利]一种可实现自行车自平衡的装置、方法及自行车

权利要求书

1.一种可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，包括主控制器，主控制器与检测系统、驱动系统连接；检测系统包括倾角传感器，用于检测自行车的倾角状态，并将检测信息传输至主控制器；

驱动系统包括平衡系统和转向系统，转向系统包括转向电机，转向电机通过减速器与自行车的车头连接，控制车头转动角度和速度；

平衡系统包括飞轮平衡机构和滑块平衡机构，飞轮平衡机构与自行车的车轮连接，与车轮转轴同轴固定；滑块平衡机构包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，导轨与自行车的支架连接；

主控制器将检测信息处理后生成控制信号，控制信号传输至驱动系统；所述检测信息的处理过程采用动力学模型；

所述动力学模型如下：

其中，m_ij表示自行车的四个刚体质量，θ代表自行车车体的后框架倾角，δ代表车把转角，φ_r代表后车轮转角，y_s代表运动滑块的线位移P_i(θ,δ,y_s)表示与后框架倾角、车把转角和运动滑块位移有关的广义力。

2.如权利要求1所述的可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述飞轮平衡机构包括无刷轮毂平衡电机、飞轮转盘和飞轮配重块；无刷轮毂平衡电机的外转子与飞轮转盘连接，飞轮转盘与飞轮配重块可拆卸连接。

3.如权利要求2所述的可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述无刷轮毂平衡电机的内定子与自行车车体的前轮同轴固定；飞轮配重块通过的飞轮转盘上均匀分布的配重块安装孔固定连接。

4.如权利要求1所述的可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述滑块平衡机构还包括配重块和伺服电机，所述伺服电机的转轴与直线导轨的输入轴连接，使得伺服电机带动滑块沿导轨移动；配重块与运动滑块可拆卸连接，配重块的数量可调。

5.如权利要求1所述的可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述主控制器还与供电系统连接，供电系统与驱动系统、检测系统连接，用于提供电能。

6.如权利要求1所述的可实现自行车自平衡的装置，其特征在于，所述驱动系统还包括行走动力机构，行走动力机构包括伺服行走电机和同步带传动机构，伺服行走电机的输出轴与同步带传动机构的输入轴连接。

7.如权利要求1所述的可实现自行车自平衡的装置，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。

8.一种可实现自行车自平衡的控制方法，其特征在于，步骤包括：

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倾角传感器，并实时读取检测系统的倾角传感器的数据；

获得自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度，根据伺服行走电机的反馈获得自行车车体的行走速度，建立自行车的运动学模型，基于运动学模型根据自行车车体的倾斜角度、倾斜的角速度和行走速度计算出转向电机的转角、角速度和无刷轮毂平衡电机的转速，以及运动滑块的位置、速度和加速度；

通过控制转向电机的转角和角速度使得自行车车体的重心回到车体的正下方，通过控制运动滑块的位置、速度、加速度改变整个自行车系统的质量分布并提供自行车车体在左右方向上的回复力，通过无刷轮毂平衡电机带动飞轮转盘高速旋转产生陀螺效应提高自行车车体的平衡能力，以此达到自行车的自平衡；

建立自行车的动力学模型如下：

其中，m_ij表示自行车的四个刚体质量，θ代表自行车车体的后框架倾角，δ代表车把转角，φ_r代表后车轮转角，y_s代表运动滑块的线位移P_i(θ,δ,y_s)表示与后框架倾角、车把转角和运动滑块位移有关的广义力。

9.一种可实现自行车自平衡的自行车，其特征在于，包括自行车、固定架和如权利要求1-7任一所述的可实现自行车自平衡的装置，所述可实现自行车自平衡的装置还包括电源总开关、固定电池和行走动力机构，所述可实现自行车自平衡的装置通过固定架安装到自行车上；所述固定架分为上、中、下三层，上层用于固定主控制器、倾角传感器和电源总开关，倾角传感器的固定平面与水平面平行；中层用于固定驱动系统和滑块平衡机构，下层用于固定电池和行走动力机构，飞轮平衡机构固定到自行车车体的前车轮处。