專利名稱：自平衡載人獨輪車系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于智能機器人范疇，是一種通過自主運動平衡控制實現(xiàn)獨輪車(包 括乘員)穩(wěn)定行走的機器人系統(tǒng)，同時也是一種操作簡單，使用方便的交通工具。
背景技術：
騎行獨輪車是人類(或者其他高智能動物)需要經(jīng)過專門地學習和訓練才能完成 的一種活動。因為獨輪車系統(tǒng)(包括乘員)可以視為一種倒立擺，在騎行獨輪車的過程中， 騎車人需要在前后方向(yoz平面)和左右方向(xoz平面)維持平衡，所以需要較高的運 動平衡技能才能完成這一任務。本實用新型設計的出發(fā)點是應用自主機器人的運動平衡控 制技術，模擬人類騎行獨輪車時的控制技巧，建立相應的機械和控制系統(tǒng)，使自平衡載人獨 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實現(xiàn)自主平衡控制，從而 使得沒有經(jīng)過專門訓練的人也能夠很容易地騎行獨輪車。
實用新型內容本實用新型的目的在于設計一種能夠載人的自平衡獨輪車系統(tǒng)。不僅可以作為一 種開放式智能機器人研究開發(fā)平臺，為運動控制、機器人和人工智能等領域的研究和教學 提供實驗對象，還是一種充滿趣味的娛樂設施和一種靈活便捷的交通工具。本實用新型涉及一種自平衡載人獨輪車系統(tǒng)，是采用以下技術手段實現(xiàn)的一種自平衡載人獨輪車系統(tǒng)，包括行走單元和控制單元；行走單元的行走輪9設 置在系統(tǒng)的下方，行走輪9的上方設有機架6，機架6的上方設有平衡輪箱3，平衡輪箱3內 設有控制左右平衡的平衡輪42，平衡輪箱3的上方設有控制獨輪車前后運動速度的操控手 柄2 ；機架6內設有電源艙7和控制器艙5，操控手柄2連接到傳感器組件11上；控制單元 包括基于DSP的運動控制單元51，與運動控制單元51連接的操控手柄2，由傾角傳感器、 慣性傳感器組成的傳感器組件11，以及平衡輪輪轂電機驅動單元41和行走輪輪轂電機驅 動單元91 ；平衡輪42的軸線與行走輪9的軸線垂直并且不相交。前述行走輪的二側設有載人踏板8。設定Y軸正方向為獨輪車的前進方向，X軸正方向為獨輪車的左側方向，Z軸正方 向為獨輪車站立時的向上方向，XOZ平面為獨輪車在左右方向上傾側角度的平面，YOZ平面 為獨輪車在前后方向上傾斜角度的平面；通過扭轉操控手柄2給定獨輪車希望的行進速度和轉彎角度，零扭轉角度為原地 靜止站立，正的扭轉角度表示前進，負的扭轉角度表示后退，扭轉角度的絕對值越大，希望 行進速度的絕對值就越大；獲取傳感器組件11的參數(shù)值，該些參數(shù)值包括獨輪車前進過程中向左側轉彎時 向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨輪車在前進過程中向右側轉彎時向X軸負方向偏 離Z軸的希望傾角值；在YOZ平面內，獨輪車向前行走時向Y軸正方向偏離Z軸的希望傾角 值；獨輪車后退時向Y軸負方向偏離Z軸的希望傾角值；[0010]根據(jù)獲取的傳感器組件11的實際傾角值與希望傾角值之間的誤差值，對獨輪車 的行駛狀態(tài)進行判斷；應用行走輪控制方法得到行走輪9當前的驅動控制量，通過行走輪輪轂電機伺服 驅動模塊91驅動行走輪9的輪轂電機轉動，從而獲得希望的行進速度和在俯仰方向的平根據(jù)獨輪車當前時刻在左右方向上實際傾角與希望傾角之間的誤差值，計算出平 衡輪的驅動控制量，驅動平衡輪42產生一個順時針或逆時針方向的角加速度，獲得一個在 XOZ平面內逆時針或順時針方向的轉矩，獲得一個將獨輪車扶正的力，使得獨輪車的實際傾 斜角度與希望傾斜角度一致，取得動態(tài)平衡。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果一、本實用新型所涉及的獨輪車系統(tǒng)是一種智能自平衡機器人。因為其獨輪行走 的結構特點，可以簡化為一個與支撐平面點接觸、可以在支撐點向前后左右任意方向傾倒的 倒立擺模型，所以該獨輪車可以作為機器人運動平衡控制、自動控制和智能控制算法、人工智 能和機器學習等學科領域的典型研究對象和平臺，滿足這些學科領域教學和科研的需要。二、本實用新型所涉及的獨輪車系統(tǒng)是一種很有趣味性的娛樂器材和很有實用性 的交通工具。因為采用了獨輪行走機構和手柄控制機構，該獨輪車系統(tǒng)具有結構簡單，操控 方便，行走靈活的特點；又因為在左右方向采用了平衡輪(飛輪)系統(tǒng)作為平衡控制機構， 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)過專門訓練的人也 可以很容易地操控該獨輪車系統(tǒng)，所以該獨輪車系統(tǒng)可以象segway兩輪車一樣廣泛地應 用于休閑娛樂和交通代步等場合。三、本實用新型所涉及的獨輪車系統(tǒng)具有開放式結構，其所有組件單元均采用模 塊化的設計思想，可以方便地拆卸和更換。這種設計便于系統(tǒng)的裝配和維護，也有利于用戶 根據(jù)自身需求進行適當?shù)馗难b以增加新的性能，這一特點對于本獨輪車系統(tǒng)作為優(yōu)點一所 述的教學科研平臺是十分重要的。即當獨輪車系統(tǒng)作為機器人使用時，用戶可以很方便地 在其所具有的姿態(tài)控制和運動平衡控制的基礎上進一步開發(fā)和研究其它的智能行為和控 制功能。比如，在獨輪車系統(tǒng)中如果增加視覺系統(tǒng)和導航系統(tǒng)，就可以使其成為一個具有視 覺導航功能的自治機器人系統(tǒng)。
圖1為載人自平衡獨輪車系統(tǒng)及參考坐標系；圖2為載人自平衡獨輪車系統(tǒng)的結構圖(一)；圖3為載人自平衡獨輪車系統(tǒng)的結構圖(二)；圖4為載人自平衡獨輪車的電系統(tǒng)結構圖；圖5為載人自平衡獨輪車的控制系統(tǒng)框圖；圖6為獨輪車系統(tǒng)在前后方向的平衡控制原理；圖7為獨輪車系統(tǒng)在左右方向的平衡控制原理。
具體實施方式
以下結合說明書附圖對本實用新型的具體實施例加以說明。[0025]建立載人自平衡獨輪車系統(tǒng)的空間參考坐標系如圖1所示。圖中，以獨輪車行走 輪9與地面的接觸點為空間參考坐標系的原點建立左手坐標系，Y軸正方向為獨輪車的前 進方向，X軸正方向為獨輪車的左側方向，Z軸正方向為獨輪車站立時的向上方向。XOZ平 面為考察獨輪車在左右方向上傾側角度的平面，當獨輪車在前進過程中向左側轉彎時，根 據(jù)其前進的速度和轉彎的角度，應該有一個向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角；反之，當獨 輪車在前進過程中向右側轉彎時，則有一個向X軸負方向偏離Z軸的希望傾角。YOZ平面為 考察獨輪車在前后方向上傾斜角度的平面，當獨輪車向前行走時，根據(jù)其前進的速度，應 該有一個向Y軸正方向偏離Z軸的希望傾角；當獨輪車后退時，有一個向Y軸負方向偏離Z 軸的希望傾角；當獨輪車定點平衡(靜止站立)時，其在YOZ平面內的希望傾角為0°，即 車體的軸線與Z軸重合。本實用新型的載人自平衡獨輪車系統(tǒng)包括行走單元和控制單元兩部分。載人自平衡獨輪車的行走單元包括機架6、行走輪機構和平衡輪機構，每一部分獨 立的成為一個組件，組件之間通過螺釘、螺母連接，安裝和拆卸十分方便。請參閱圖2、圖3和圖4所示，機架部分構成機器人的本體，包括位于機架下部的電 源艙7，位于機架中部的控制器艙5，位于機架上部的平衡輪箱3，在平衡輪箱3內設有平衡 輪42，位于機架頂部的傳感器艙1，以及用于乘員站立的載人踏板8，用于控制獨輪車前進 后退速度的操控手柄2等。行走輪機構采用輪轂電機驅動的獨輪行走機構，安裝在機架的下方，行走輪9在 yoz平面內轉動，使獨輪車實現(xiàn)向前向后的運動。平衡輪42采用輪轂電機驅動，安裝在機架上部的平衡輪箱3內，平衡輪42的軸線 和行走輪9的軸線垂直而不相交，平衡輪42在X0Z平面內轉動，使獨輪車實現(xiàn)左右方向的 平衡。載人自平衡獨輪車的電氣系統(tǒng)包括傳感器組件11，控制單元51和電源71等3個 部分，如圖4所示。傳感器組件11包括X-Y傾角傳感器和慣性傳感器，位于機架6頂部的傳感器艙 (1)內，用于獲取獨輪車的姿態(tài)信息。X-Y傾角傳感器用于檢測獨輪車在XOZ平面和y0Z平 面內的傾角信息，這兩個傾角信息分別反映了獨輪車在前后方向(俯仰)和左右方向(側 傾)的傾斜程度。慣性傳感器用于檢測獨輪車在行進過程中前進方向和機體正面中線方向 的夾角，即獨輪車在行進過程中的轉彎角度信息，以及獨輪車行進的速度信息。該轉彎角度 信息和行進速度信息一起用于確定獨輪車行進過程中在χοζ平面和yoz平面內的希望傾角 (即控制系統(tǒng)的參考輸入)，因為獨輪車(含乘員)在向前行進時，車體應該有一個與行進 速度相關的向前的傾角，在需要獨輪車原地站立時該希望傾角為0°，而獨輪車(含乘員) 在向一側轉彎時，車體應該有一個與行進速度和轉彎角度相關的偏向轉彎一側的傾角。請參閱圖4，載人自平衡獨輪車的控制單元51采用數(shù)字信號處理器DSP作為控制 器，控制器、A/D和D/A轉換器、行走輪9和平衡輪42的伺服驅動模塊91和41等均設置在 控制器艙5內。載人自平衡獨輪車的控制系統(tǒng)框圖如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)可以分為兩個回路，即 行走輪控制回路(圖5下部線條所示)和平衡輪控制回路(圖5上部線條所示)。在行走輪控制回路中，乘員通過扭轉操控手柄2給定獨輪車希望的行進速度，零
5扭轉角度表示原地靜止站立，正的扭轉角度表示前進，負的扭轉角度表示后退，扭轉角度的 絕對值越大，希望行進速度的絕對值就越大?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)希望的行進速度計算出獨輪車 在俯仰方向上相應的希望傾角作為參考輸入，與由傳感器組件11中傾角傳感器反饋回來 的獨輪車當前時刻在俯仰方向上的姿態(tài)信息進行比較，獲得實際傾角與希望傾角之間的誤 差值，應用行走輪控制算法得到行走輪9當前的驅動控制量，通過行走輪伺服驅動模塊91 驅動輪轂電機轉動，從而獲得希望的行進速度和在俯仰方向的平衡性能。請參閱圖6所示，當獨輪車在前進過程中向前傾倒，即在YOZ平面內向逆時針方向 傾斜一個角度θ (大于當前時刻獨輪車平穩(wěn)運行的希望傾角)時，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信 息計算出獨輪車當前時刻在YOZ平面內(前后方向)實際傾角與希望傾角之間的誤差值， 然后根據(jù)行走輪控制算法計算出所需要的行走輪控制量，驅動行走輪9產生一個逆時針方 向的正的角加速度ε，使獨輪車加速行走并恢復到希望的姿態(tài)(使得獨輪車在YOZ平面內 的實際傾斜角度與希望傾斜角度一致)，從而取得良好的動態(tài)平衡效果。當獨輪車前進過程 中實際傾角小于希望傾角，或者獨輪車在后退過程中出現(xiàn)實際傾角大于或小于希望傾角情 況時，其控制過程與此類似。在平衡輪42的控制回路中，因為獨輪車的行進速度和轉彎角度都對其側向平衡 性能產生影響，即行走輪控制回路對平衡輪控制回路有耦合關系，所以需要進行解耦控制。 控制系統(tǒng)首先根據(jù)由傳感器組件11中慣性傳感器測得當前時刻獨輪車的實際行進速度和 轉彎角度信息計算出獨輪車在左右方向上相應的希望傾角作為參考輸入，與由傳感器組件 11中傾角傳感器反饋回來的獨輪車當前時刻在左右方向上的傾角信息進行比較，獲得左右 方向上實際傾角與希望傾角之間的誤差值，應用平衡輪控制算法得到平衡輪42當前的驅 動控制量，通過平衡輪電機伺服驅動模塊41驅動輪轂電機改變平衡輪(飛輪)42轉動的速 度，從而在左右方向使獨輪車獲得希望的平衡性能。請參閱圖7關于獨輪車在左右方向進行平衡控制的原理，圖中平衡輪箱3的箱蓋 4打開，顯示飛輪及其輪轂電機42。當獨輪車向左側傾倒，即在XOZ平面內向順時針方向傾 斜一個角度θ (大于當前時刻獨輪車平穩(wěn)運行的希望傾角)時，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息 計算出獨輪車當前時刻在左右方向上實際傾角與希望傾角之間的誤差值，然后根據(jù)平衡輪 控制算法計算出所需要的平衡輪控制量，驅動平衡輪42產生一個順時針方向的正的角加 速度ε，于是根據(jù)動量守恒定理，獨輪車將獲得一個在XOZ平面內逆時針方向的轉矩，相當 于獲得一個將獨輪車扶正的力F，這樣就可以使得獨輪車的實際傾斜角度與希望傾斜角度 一致，從而取得良好的動態(tài)平衡效果。當獨輪車向左側傾倒時其控制過程與此類似。實際 上，像這種通過平衡輪實現(xiàn)姿態(tài)控制的方法人們在實際生活中也經(jīng)常采用。比如當一個人 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平衡，這時，人揮動手臂的作用就與獨輪車轉動平衡輪的效果是 一樣的。請參閱圖2、圖3和圖4所示，電源71位于機架6下部的電源艙7內，由鋰電池和 相應的變壓裝置構成，用于向控制單元51的DSP等控制器件、行走輪9和平衡輪42的輪轂 電機及其伺服驅動模塊91和41供電。就像普通獨輪車的轉彎操作一樣，本實用新型所涉及的自平衡載人獨輪車系統(tǒng)在 轉彎時也是通過乘員扭轉身體實現(xiàn)轉彎運動，轉彎角度的大小由乘員扭轉身體的幅度控制。因為本載人獨輪車系統(tǒng)的行走輪9和平衡輪42均采用輪轂電機控制其正反轉，只 要不做轉彎運動，平衡輪42就不會作加速或減速回轉運動，在前進或后退行走時，乘員只 需要通過扭轉手柄2到中點位置就可以使獨輪車停止行進(定點平衡站立)，所以在本獨輪 車系統(tǒng)中不需要剎車系統(tǒng)，這樣就進一步地簡化了系統(tǒng)的結構并使操作簡便。出于安全的考慮，只要傳感器組件11中的傾角傳感器檢測到獨輪車車體傾斜角 度大于30° (即認為此時要么乘員已經(jīng)下車，要么乘員和獨輪車系統(tǒng)已不可能恢復平衡并 即將倒下)，控制系統(tǒng)就會立即自動停車，使行走輪9和平衡輪42停止轉動，從而保護設備 和人員的安全。在進行組裝時，將行走輪9裝配到機架6的下部，行走輪9的軸線與X軸平行，并 用螺母緊固；將平衡輪42及其輪轂電機組件裝配到機架6上部的平衡輪箱3中，平衡輪42 的軸線與Y軸平行，蓋上平衡輪箱蓋4并用螺母緊固；將操控手柄2和載人踏板8分別裝到 機架6的頂部和下部，并用螺釘緊固。將傳感器組件11，包括用于檢測獨輪車系統(tǒng)在XOZ和YOZ平面內傾角的雙軸傾 角傳感器，以及用于檢測獨輪車系統(tǒng)前進速度和轉彎角度的慣性傳感器，安裝到傳感器艙 1中，引出連接線并蓋好艙蓋；將控制單元51，包括已燒錄程序的DSP控制系統(tǒng)(含A/D和 D/A轉換器)以及用于驅動行走輪9輪轂電機的電機驅動模塊91和用于驅動平衡輪42輪 轂電機的電機驅動模塊41安裝到控制器艙5中，引出連接線并蓋好艙蓋；將電源71 (含鋰 電池和相應的變壓裝置)安裝到電源艙7中，引出連接線并蓋好艙蓋；將傳感器組件11的 傾角傳感器和慣性傳感器連接到控制單元51中DSP控制系統(tǒng)的A/D轉換器；將DSP控制系 統(tǒng)的D/A轉換器連接到行走輪輪轂電機的驅動模塊91和平衡輪輪轂電機的驅動模塊41，并 將這兩個電機驅動模塊與對應的電機連接；將電源系統(tǒng)71的相應變壓裝置分別與傳感器 組件11的傾角傳感器和慣性傳感器、控制單元51的DSP芯片、行走輪9和平衡輪42的輪 轂電機及其驅動模塊91和41連接。如果獨輪車系統(tǒng)在XOZ或YOZ平面內的傾角大于30°，則表示獨輪車系統(tǒng)已經(jīng)失 去平衡，于是所有電機均停止運轉(即剎車)以避免造成設備或人員的損傷。反之，則表 示獨輪車系統(tǒng)處于正常運行中，控制系統(tǒng)并行地執(zhí)行平衡輪控制任務和行走輪控制任務。 系統(tǒng)根據(jù)當前獨輪車的行進速度和轉彎角度計算得出獨輪車在左右方向上的希望傾角，計 算在左右方向上希望傾角和實際傾角之間的偏差，運行平衡輪控制算法計算出相應的控制 量，驅動平衡輪42改變轉速以獲得期望的左右平衡性能。同時，獨輪車系統(tǒng)將乘員由操作 手柄2輸出的希望行進速度和實際行進速度比較得到行進速度偏差，結合轉彎角度信息計 算得到獨輪車系統(tǒng)在前后方向的希望傾角，再與獨輪車系統(tǒng)在前后方向的實際傾角相比較 得到角度偏差，運行行走輪控制算法計算出相應的控制量，驅動行走輪9改變轉速以獲得 期望的前后平衡性能和行進速度。使用本實施例的機器人時，可按如下步驟操作安裝機械部件；安裝電氣系統(tǒng)；確認機械和電氣系統(tǒng)各部分的連接正確、可靠；扶 正獨輪車系統(tǒng)，使其處于近似直立狀態(tài)；打開電源開關，使系統(tǒng)開始工作，獨輪車系統(tǒng)處于 定點平衡狀態(tài)；乘員手扶手柄2，站立到載人踏板8上；扭轉操控手柄2，使獨輪車系統(tǒng)開 始載人行走，完成相關的交通或娛樂任務；完成載人行走任務后，扭轉操控手柄2到中間位置，使獨輪車系統(tǒng)處于定點平衡狀態(tài)；關閉電源，將獨輪車系統(tǒng)?？客桩?。本實用新型的自平衡載人獨輪車系統(tǒng)具有明顯的動態(tài)平衡特點，由于其本身特有 的復雜平衡控制的特點，在科研、娛樂和交通領域都具有廣闊的應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，本實用新型還可以作為一種典型的智能機器人 研究平臺，在其全方位(前后左右)運動平衡功能的基礎上添加其它功能，比如視覺、導航 等，使其成為一個理想的智能自主機器人研究系統(tǒng)。相比于其它靜態(tài)平衡載人機器人(如四輪移動機器人)，本實用新型具有自主運 動平衡的顯著特點，即獨輪車的載人行走過程是一個自主地運動平衡控制過程。由于該系 統(tǒng)的運動機構為獨輪，和地面是點接觸方式，獨輪車是一個立于xoy平面的不受限倒立擺， 獨輪車可能偏離ζ軸向四周360°的任何一個方向傾倒。因此要使獨輪車(含乘員)穩(wěn)定 行走，就必須使系統(tǒng)在xoy平面內運動和靜止過程中，在前后方向(yoz平面)和左右方向 (X0Z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，在直線行進過程中根據(jù)行走速度向前進方向傾斜一定角度，或在轉彎過程中根據(jù)轉 彎的速度和角度向轉彎一側傾斜一定角度)。相比于其它動態(tài)自平衡載人機器人(如二輪移動機器人segway)，本實用新型具 有獨輪行走的顯著特點，主要體現(xiàn)為以下3個方面(1)如前所述，獨輪車是在前后(yoz平 面)和左右(xoz平面)2個方向的倒立擺，而segway則只是在前后(yoz平面)1個方向的 倒立擺，獨輪車平衡控制的難度更大；(2)獨輪車作為載人交通工具其結構更為簡單，運動 更為機動靈活，適應更為復雜的環(huán)境，應用范圍更廣，而像segway那樣的2輪車對路面平整 度和寬闊度的要求更高，轉彎半徑也更大，應用受到較多限制；(3)作為娛樂工具，獨輪車 運動可以完成更多的技巧，也更為有趣，更吸引人。比如原地轉身，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。
權利要求1.一種自平衡載人獨輪車系統(tǒng)，包括行走單元和控制單元；其特征在于所述的行走 單元的行走輪(9)設置在系統(tǒng)的下方，行走輪(9)的上方設有機架(6)，機架(6)的上方設 有平衡輪箱(3)，平衡輪箱(3)內設有控制左右平衡的平衡輪(42)，平衡輪箱C3)的上方設 有控制獨輪車前后運動速度的操控手柄O)；所述的機架(6)內設有電源艙(7)和控制器 艙(5)，所述的操控手柄( 連接到傳感器組件(11)上；所述的控制單元包括基于DSP的運動控制單元(51)，與運動控制單元(51)連接的操 控手柄O)，由傾角傳感器、慣性傳感器組成的傳感器組件(11)，以及平衡輪輪轂電機驅動 單元Gl)和行走輪輪轂電機驅動單元(91)；所述的平衡輪G2)的軸線與行走輪(9)的軸線垂直并且不相交。
2.根據(jù)權利要求1所述的自平衡載人獨輪車系統(tǒng)，其特征在于所述的行走輪(9)的 二側設有載人踏板(8)。
專利摘要一種自平衡載人獨輪車系統(tǒng)和控制方法，包括行走單元和控制單元；行走單元的行走輪(9)設置在系統(tǒng)的下方，行走輪的上方設有機架(6)，機架(6)的上方設有平衡輪(42)，平衡輪(42)的上方設有控制獨輪車前后運動速度的操控手柄(2)；機架(6)內設有電源(71)和運動控制單元(51)，操控手柄(2)連接到傳感器組件(11)上；控制單元包括運動控制單元(51)，與運動控制單元(51)連接的操控手柄(2)，由傾角傳感器、慣性傳感器組成的傳感器組件(11)，以及平衡輪輪轂電機驅動單元(41)和行走輪輪轂電機驅動單元(91)；平衡輪(42)的軸線與行走輪(9)的軸線垂直并且不相交。采用了獨輪行走機構，行走靈活；通過輪轂電機控制行走輪(9)和平衡輪(42)的正反轉，省略了剎車機構，使操作更為簡便；實現(xiàn)了獨輪車不同行進速度下在前后方向和左右方向的平衡控制。
文檔編號B60W30/02GK201907604SQ201020650188
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權日2010年12月3日
發(fā)明者于乃功, 阮曉鋼, 龔道雄 申請人:北京工業(yè)大學