專利名稱：自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能機(jī)器人范疇，是一種通過(guò)自主運(yùn)動(dòng)平衡控制實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(包括乘 員)穩(wěn)定行走的機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)也是一種操作簡(jiǎn)單，使用方便的交通工具。
背景技術(shù)：
騎行獨(dú)輪車是人類(或者其他高智能動(dòng)物)需要經(jīng)過(guò)專門(mén)地學(xué)習(xí)和訓(xùn)練才能完成 的一種活動(dòng)因?yàn)楠?dú)輪車系統(tǒng)(包括乘員)可以視為一種倒立擺，在騎行獨(dú)輪車的過(guò)程中，騎 車人需要在前后方向(y0Z平面)和左右方向(X0Z平面)維持平衡，所以需要較高的運(yùn)動(dòng) 平衡技能才能完成這一任務(wù)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是應(yīng)用自主機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制技 術(shù)，模擬人類騎行獨(dú)輪車時(shí)的控制技巧，建立相應(yīng)的機(jī)械和控制系統(tǒng)，使自平衡載人獨(dú)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?qū)崿F(xiàn)自主平衡控制，從而使得 沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的人也能夠很容易地騎行獨(dú)輪車。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種能夠載人的自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)。不僅可以作為一種開(kāi) 放式智能機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人和人工智能等領(lǐng)域的研究和教學(xué)提供實(shí) 驗(yàn)對(duì)象，還是一種充滿趣味的娛樂(lè)設(shè)施和一種靈活便捷的交通工具。本發(fā)明涉及一種自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)，是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的一種自平衡載人獨(dú)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(shè)置在系統(tǒng)的下方，行走輪的上方設(shè)有機(jī)架(6)，機(jī)架(6)的上方連接控制左右平衡的平衡 輪箱(3)，平衡輪箱(3)內(nèi)設(shè)有平衡輪(42)，平衡輪(42)的上方設(shè)有控制獨(dú)輪車前后運(yùn)動(dòng) 速度的操控手柄⑵；機(jī)架內(nèi)設(shè)有電源(71)和運(yùn)動(dòng)控制單元(51)，操控手柄⑵連接到傳 感器組件(11)上；控制單元包括運(yùn)動(dòng)控制單元(51)，與運(yùn)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)單元 (41)和行走輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)設(shè)有載人踏板(8)?！N自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟設(shè)定Y軸正方向?yàn)楠?dú)輪 車的前進(jìn)方向，X軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的左側(cè)方向，Z軸正方向?yàn)楠?dú)輪車站立時(shí)的向上方向， XOZ平面為獨(dú)輪車在左右方向上傾側(cè)角度的平面，YOZ平面為獨(dú)輪車在前后方向上傾斜角 度的平面；通過(guò)扭轉(zhuǎn)操控手柄(2)給定獨(dú)輪車希望的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度，零扭轉(zhuǎn)角度為原 地靜止站立，正的扭轉(zhuǎn)角度表示前進(jìn)，負(fù)的扭轉(zhuǎn)角度表示后退，扭轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)值越大，希 望行進(jìn)速度的絕對(duì)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(dú)輪車前進(jìn)過(guò)程中向左側(cè)轉(zhuǎn)彎 時(shí)向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨(dú)輪車在前進(jìn)過(guò)程中向右側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)向X軸負(fù)方向偏離Z軸的希望傾角值；在YOZ平面內(nèi)，獨(dú)輪車向前行走時(shí)向Y軸正方向偏離Z軸的希望傾 角值；獨(dú)輪車后退時(shí)向Y軸負(fù)方向偏離Z軸的希望傾角值；根據(jù)獲取的傳感器組件(11)的實(shí)際傾角值與希望傾角值之間的誤差值，對(duì)獨(dú)輪 車的行駛狀態(tài)進(jìn)行判斷；應(yīng)用 行走輪控制方法得到行走輪(9)當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)控制量，通過(guò)行走輪輪轂電機(jī)伺 服驅(qū)動(dòng)模塊(91)驅(qū)動(dòng)行走輪(9)的輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得希望的行進(jìn)速度和在俯仰方向 的平衡；根據(jù)獨(dú)輪車當(dāng)前時(shí)刻在左右方向上實(shí)際傾角與希望傾角之間的誤差值，計(jì)算出平 衡輪的驅(qū)動(dòng)控制量，驅(qū)動(dòng)平衡輪(42)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻慕羌铀俣?，獲得一個(gè) 在XOZ平面內(nèi)逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，獲得一個(gè)將獨(dú)輪車扶正的力，使得獨(dú)輪車的實(shí) 際傾斜角度與希望傾斜角度一致，取得動(dòng)態(tài)平衡。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果一、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)是一種智能自平衡機(jī)器人。因?yàn)槠洫?dú)輪行走的結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)與支撐平面點(diǎn)接觸可以在支撐點(diǎn)向前后左右任意方向傾倒的倒立 擺模型，所以該獨(dú)輪車可以作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡控制自動(dòng)控制和智能控制算法人工智能和 機(jī)器學(xué)習(xí)等學(xué)科領(lǐng)域的典型研究對(duì)象和平臺(tái)，滿足這些學(xué)科領(lǐng)域教學(xué)和科研的需要。二、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)是一種很有趣味性的娛樂(lè)器材和很有實(shí)用性的交 通工具。因?yàn)椴捎昧霜?dú)輪行走機(jī)構(gòu)和手柄控制機(jī)構(gòu)，該獨(dú)輪車系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方 便，行走靈活的特點(diǎn)；又因?yàn)樵谧笥曳较虿捎昧似胶廨?飛輪)系統(tǒng)作為平衡控制機(jī)構(gòu)，以 及在前后方向采用了針對(duì)行走輪的平衡控制策略，這使得一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的人也可 以很容易地操控該獨(dú)輪車系統(tǒng)，所以該獨(dú)輪車系統(tǒng)可以象segway兩輪車一樣廣泛地應(yīng)用 于休閑娛樂(lè)和交通代步等場(chǎng)合。三、本發(fā)明所涉及的獨(dú)輪車系統(tǒng)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，其所有組件單元均采用模塊化 的設(shè)計(jì)思想，可以方便地拆卸和更換。這種設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)的裝配和維護(hù)，也有利于用戶根據(jù) 自身需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗难b以增加新的性能，這一特點(diǎn)對(duì)于本獨(dú)輪車系統(tǒng)作為優(yōu)點(diǎn)一所述的 教學(xué)科研平臺(tái)是十分重要的。即當(dāng)獨(dú)輪車系統(tǒng)作為機(jī)器人使用時(shí)，用戶可以很方便地在其 所具有的姿態(tài)控制和運(yùn)動(dòng)平衡控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究其它的智能行為和控制功 能。比如，在獨(dú)輪車系統(tǒng)中如果增加視覺(jué)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以使其成為一個(gè)具有視覺(jué)導(dǎo) 航功能的自治機(jī)器人系統(tǒng)。


圖1為載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)及參考坐標(biāo)系；圖2為載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(一)；圖3為載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(二)；圖4為載人自平衡獨(dú)輪車的電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5為載人自平衡獨(dú)輪車的控制系統(tǒng)框圖；圖6為獨(dú)輪車系統(tǒng)在前后方向的平衡控制原理；圖7為獨(dú)輪車系統(tǒng)在左右方向的平衡控制原理；圖8為獨(dú)輪車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例加以說(shuō)明。建立載人自平衡獨(dú)輪車系統(tǒng)的空間參考坐標(biāo)系如圖1所示。圖中，以獨(dú)輪車行走 輪9與地面的接觸點(diǎn)為空間參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立左手坐標(biāo)系，Y軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的前 進(jìn)方向，X軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的左側(cè)方向，Z軸正方向?yàn)楠?dú)輪車站立時(shí)的向上方向。XOZ平 面為考察獨(dú)輪車在左右方向上傾側(cè)角度的平面，當(dāng)獨(dú)輪車在前進(jìn)過(guò)程中向左側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)，根 據(jù)其前進(jìn)的速度和轉(zhuǎn)彎的角度，應(yīng)該有一個(gè)向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角；反之，當(dāng)獨(dú) 輪車在前進(jìn)過(guò)程中向右側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)，則有一個(gè)向X軸負(fù)方向偏離Z軸的希望傾角。YOZ平面 為考察獨(dú)輪車在前后方向上傾斜角度的平面，當(dāng)獨(dú)輪車向前行走時(shí)，根據(jù)其前進(jìn)的速度，應(yīng) 該有一個(gè)向Y軸正方向偏離Z軸的希望傾角；當(dāng)獨(dú)輪車后退時(shí)，有一個(gè)向Y軸負(fù)方向偏離Z 軸的希望傾角；當(dāng)獨(dú)輪車定點(diǎn)平衡(靜止站立)時(shí)，其在YOZ平面內(nèi)的希望傾角為0°，即 車體的軸線與Z軸重合。本發(fā)明的載人自平衡獨(dú)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(dú)輪車的行走單元包括機(jī)架6、行走輪機(jī)構(gòu)和平衡輪機(jī)構(gòu)，每一部分獨(dú) 立的成為一個(gè)組件，組件之間通過(guò)螺釘、螺母連接，安裝和拆卸十分方便。請(qǐng)參閱圖2圖3和圖4所示，機(jī)架部分構(gòu)成機(jī)器人的本體，包括位于機(jī)架下部的電 源艙7，位于機(jī)架中部的控制器艙5，位于機(jī)架上部的平衡輪箱3，在平衡輪箱3內(nèi)設(shè)有平衡 輪42，位于機(jī)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(dú)輪車前進(jìn) 后退速度的操控手柄2等。行走輪機(jī)構(gòu)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的獨(dú)輪行走機(jī)構(gòu)，安裝在機(jī)架的下方，行走輪9在 yoz平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)向前向后的運(yùn)動(dòng)。平衡輪42采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝在機(jī)架上部的平衡輪箱3內(nèi)，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(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使獨(dú)輪車實(shí)現(xiàn)左右方向的 平衡。載人自平衡獨(dú)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(gè) 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(jī)架6頂部的傳感器艙 (1)內(nèi)，用于獲取獨(dú)輪車的姿態(tài)信息。X-Y傾角傳感器用于檢測(cè)獨(dú)輪車在XOZ平面和y0Z平 面內(nèi)的傾角信息，這兩個(gè)傾角信息分別反映了獨(dú)輪車在前后方向(俯仰)和左右方向(側(cè) 傾)的傾斜程度。慣性傳感器用于檢測(cè)獨(dú)輪車在行進(jìn)過(guò)程中前進(jìn)方向和機(jī)體正面中線方向 的夾角，即獨(dú)輪車在行進(jìn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)彎角度信息，以及獨(dú)輪車行進(jìn)的速度信息。該轉(zhuǎn)彎角度 信息和行進(jìn)速度信息一起用于確定獨(dú)輪車行進(jìn)過(guò)程中在χοζ平面和yoz平面內(nèi)的希望傾角 (即控制系統(tǒng)的參考輸入)，因?yàn)楠?dú)輪車(含乘員)在向前行進(jìn)時(shí)，車體應(yīng)該有一個(gè)與行進(jìn) 速度相關(guān)的向前的傾角，在需要獨(dú)輪車原地站立時(shí)該希望傾角為0°，而獨(dú)輪車(含乘員) 在向一側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車體應(yīng)該有一個(gè)與行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度相關(guān)的偏向轉(zhuǎn)彎一側(cè)的傾角。 請(qǐng)參閱圖4，載人自平衡獨(dú)輪車的控制單元51采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制 器，控制器A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、行走輪9和平衡輪42的伺服驅(qū)動(dòng)模塊91和41等均設(shè)置在 控制器艙5內(nèi)。
載人自平衡獨(dú)輪車的控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。控制系統(tǒng)可以分為兩個(gè)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(guò)扭轉(zhuǎn)操控手柄2給定獨(dú)輪車希望的行進(jìn)速度，零 扭轉(zhuǎn)角度表示原地靜止站立，正的扭轉(zhuǎn)角度表示前進(jìn)，負(fù)的扭轉(zhuǎn)角度表示后退，扭轉(zhuǎn)角度的 絕對(duì)值越大，希望行進(jìn)速度的絕對(duì)值就越大。控制系統(tǒng)根據(jù)希望的行進(jìn)速度計(jì)算出獨(dú)輪車 在俯仰方向上相應(yīng)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(lái) 的獨(dú)輪車當(dāng)前時(shí)刻在俯仰方向上的姿態(tài)信息進(jìn)行比較，獲得實(shí)際傾角與希望傾角之間的誤 差值，應(yīng)用行走輪控制算法得到行走輪9當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)控制量，通過(guò)行走輪伺服驅(qū)動(dòng)模塊91 驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得希望的行進(jìn)速度和在俯仰方向的平衡性能。請(qǐng)參閱圖6所示，當(dāng)獨(dú)輪車在前進(jìn)過(guò)程中向前傾倒，即在YOZ平面內(nèi)向逆時(shí)針?lè)较?傾斜一個(gè)角度θ (大于當(dāng)前時(shí)刻獨(dú)輪車平穩(wěn)運(yùn)行的希望傾角)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信 息計(jì)算出獨(dú)輪車當(dāng)前 時(shí)刻在YOZ平面內(nèi)(前后方向)實(shí)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(jì)算出所需要的行走輪控制量，驅(qū)動(dòng)行走輪9產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針?lè)?向的正的角加速度ε，使獨(dú)輪車加速行走并恢復(fù)到希望的姿態(tài)(使得獨(dú)輪車在YOZ平面內(nèi) 的實(shí)際傾斜角度與希望傾斜角度一致)，從而取得良好的動(dòng)態(tài)平衡效果。當(dāng)獨(dú)輪車前進(jìn)過(guò)程 中實(shí)際傾角小于希望傾角，或者獨(dú)輪車在后退過(guò)程中出現(xiàn)實(shí)際傾角大于或小于希望傾角情 況時(shí)，其控制過(guò)程與此類似。在平衡輪42的控制回路中，因?yàn)楠?dú)輪車的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度都對(duì)其側(cè)向平衡 性能產(chǎn)生影響，即行走輪控制回路對(duì)平衡輪控制回路有耦合關(guān)系，所以需要進(jìn)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(cè)得當(dāng)前時(shí)刻獨(dú)輪車的實(shí)際行進(jìn)速度和 轉(zhuǎn)彎角度信息計(jì)算出獨(dú)輪車在左右方向上相應(yīng)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(lái)的獨(dú)輪車當(dāng)前時(shí)刻在左右方向上的傾角信息進(jìn)行比較，獲得左右 方向上實(shí)際傾角與希望傾角之間的誤差值，應(yīng)用平衡輪控制算法得到平衡輪42當(dāng)前的驅(qū) 動(dòng)控制量，通過(guò)平衡輪電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊41驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)改變平衡輪(飛輪)42轉(zhuǎn)動(dòng)的速 度，從而在左右方向使獨(dú)輪車獲得希望的平衡性能。請(qǐng)參閱圖7關(guān)于獨(dú)輪車在左右方向進(jìn)行平衡控制的原理，圖中平衡輪箱3的箱蓋 4打開(kāi)，顯示飛輪及其輪轂電機(jī)42。當(dāng)獨(dú)輪車向左側(cè)傾倒，即在XOZ平面內(nèi)向順時(shí)針?lè)较騼A 斜一個(gè)角度θ (大于當(dāng)前時(shí)刻獨(dú)輪車平穩(wěn)運(yùn)行的希望傾角)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息 計(jì)算出獨(dú)輪車當(dāng)前時(shí)刻在左右方向上實(shí)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(jì)算出所需要的平衡輪控制量，驅(qū)動(dòng)平衡輪42產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻恼慕羌?速度ε，于是根據(jù)動(dòng)量守恒定理，獨(dú)輪車將獲得一個(gè)在XOZ平面內(nèi)逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，相當(dāng) 于獲得一個(gè)將獨(dú)輪車扶正的力F，這樣就可以使得獨(dú)輪車的實(shí)際傾斜角度與希望傾斜角度 一致，從而取得良好的動(dòng)態(tài)平衡效果。當(dāng)獨(dú)輪車向左側(cè)傾倒時(shí)其控制過(guò)程與此類似。實(shí)際 上，像這種通過(guò)平衡輪實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的方法人們?cè)趯?shí)際生活中也經(jīng)常采用。比如當(dāng)一個(gè)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(shí)，人們會(huì)下意識(shí)地舉起手臂從 上向傾斜方向揮動(dòng)以恢復(fù)平衡，這時(shí)，人揮動(dòng)手臂的作用就與獨(dú)輪車轉(zhuǎn)動(dòng)平衡輪的效果是 一樣的。請(qǐng)參閱圖2、圖3和圖4所示，電源71位于機(jī)架6下部的電源艙7內(nèi)，由鋰電池和 相應(yīng)的變壓裝置構(gòu)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(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)模塊91和41供電。就像普通獨(dú)輪車的轉(zhuǎn)彎操作一樣，本發(fā)明所涉及的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎 時(shí)也是通過(guò)乘員扭轉(zhuǎn)身體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎角度的大小由乘員扭轉(zhuǎn)身體的幅度控制。
因?yàn)楸据d人獨(dú)輪車系統(tǒng)的行走輪9和平衡輪42均采用輪轂電機(jī)控制其正反轉(zhuǎn)，只 要不做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，平衡輪42就不會(huì)作加速或減速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在前進(jìn)或后退行走時(shí)，乘員只 需要通過(guò)扭轉(zhuǎn)手柄2到中點(diǎn)位置就可以使獨(dú)輪車停止行進(jìn)(定點(diǎn)平衡站立)，所以在本獨(dú)輪 車系統(tǒng)中不需要?jiǎng)x車系統(tǒng)，這樣就進(jìn)一步地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并使操作簡(jiǎn)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(cè)到獨(dú)輪車車體傾斜角 度大于30° (即認(rèn)為此時(shí)要么乘員已經(jīng)下車，要么乘員和獨(dú)輪車系統(tǒng)已不可能恢復(fù)平衡并 即將倒下)，控制系統(tǒng)就會(huì)立即自動(dòng)停車，使行走輪9和平衡輪42停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保護(hù)設(shè)備 和人員的安全。在進(jìn)行組裝時(shí)，將行走輪9裝配到機(jī)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(jī)組件裝配到機(jī)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(jī)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(cè)獨(dú)輪車系統(tǒng)在XOZ和YOZ平面內(nèi)傾角的雙軸傾角 傳感器，以及用于檢測(cè)獨(dú)輪車系統(tǒng)前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度的慣性傳感器，安裝到傳感器艙1 中，弓丨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(zhuǎn)換器)以及用于驅(qū)動(dòng)行走輪9輪轂電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊91和用于驅(qū)動(dòng)平衡輪42輪轂 電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(zhuǎn)換器；將DSP控制系統(tǒng) 的D/A轉(zhuǎn)換器連接到行走輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊91和平衡輪輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊41，并將 這兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與對(duì)應(yīng)的電機(jī)連接；將電源系統(tǒng)71的相應(yīng)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(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊91和41連接。本實(shí)施例的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)，其突出的特點(diǎn)在于通過(guò)行走輪控制回路實(shí)現(xiàn) 在前后方向上的俯仰姿態(tài)平衡，通過(guò)平衡輪控制回路實(shí)現(xiàn)在左右方向上的側(cè)傾姿態(tài)平衡， 其控制程序流程如圖8所示機(jī)器人控制單元51的運(yùn)動(dòng)控制器DSP系統(tǒng)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器讀 取傳感器組件11的傳感信息，獲得當(dāng)前時(shí)刻獨(dú)輪車系統(tǒng)(含乘員)在前后方向和左右方向 的傾角，以及獨(dú)輪車系統(tǒng)的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度等姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息。如果獨(dú)輪車系統(tǒng)在XOZ或YOZ平面內(nèi)的傾角大于30°，則表示獨(dú)輪車系統(tǒng)已經(jīng)失 去平衡，于是所有電機(jī)均停止運(yùn)轉(zhuǎn)(即剎車)以避免造成設(shè)備或人員的損傷。反之，則表 示獨(dú)輪車系統(tǒng)處于正常運(yùn)行中，控制系統(tǒng)并行地執(zhí)行平衡輪控制任務(wù)和行走輪控制任務(wù)。 系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前獨(dú)輪車的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度計(jì)算得出獨(dú)輪車在左右方向上的希望傾角，計(jì) 算在左右方向上希望傾角和實(shí)際傾角之間的偏差，運(yùn)行平衡輪控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制 量，驅(qū)動(dòng)平衡輪42改變轉(zhuǎn)速以獲得期望的左右平衡性能。同時(shí)，獨(dú)輪車系統(tǒng)將乘員由操作 手柄2輸出的希望行進(jìn)速度和實(shí)際行進(jìn)速度比較得到行進(jìn)速度偏差，結(jié)合轉(zhuǎn)彎角度信息計(jì) 算得到獨(dú)輪車系統(tǒng)在前后方向的希望傾角，再與獨(dú)輪車系統(tǒng)在前后方向的實(shí)際傾角相比較得到角度偏差，運(yùn)行行走輪控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，驅(qū)動(dòng)行走輪9改變轉(zhuǎn)速以獲得 期望的前后平衡性能和行進(jìn)速度。使用本實(shí)施例的機(jī)器人時(shí)，可按如下步驟操作安裝機(jī)械部件；安裝電氣系統(tǒng)；確認(rèn)機(jī)械和電氣系統(tǒng)各部分的連接正確、可靠；扶 正獨(dú)輪車系統(tǒng)，使其處于近似直立狀態(tài)；打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)開(kāi)始工作，獨(dú)輪車系統(tǒng)處于 定點(diǎn)平衡狀態(tài)；乘員手扶手柄2，站立到載人踏板8上；扭轉(zhuǎn)操控手柄2，使獨(dú)輪車系統(tǒng)開(kāi) 始載人行走，完成相關(guān)的交通或娛樂(lè)任務(wù)；完成載人行走任務(wù)后，扭轉(zhuǎn)操控手柄2到中間位 置，使獨(dú)輪車系統(tǒng)處于定點(diǎn)平衡狀態(tài)；關(guān)閉電源，將獨(dú)輪車系統(tǒng)?？客桩?dāng)。本發(fā)明的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)具有明顯的動(dòng)態(tài)平衡特點(diǎn)，由于其本身特有的復(fù) 雜平衡控制的特點(diǎn)，在科研娛樂(lè)和交通領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景除了作為極具特色的 便攜交通工具和有趣的娛樂(lè)工具外，本發(fā)明還可以作為一種典型的智能機(jī)器人研究平臺(tái)， 在其全方位(前后左右)運(yùn)動(dòng)平衡功能的基礎(chǔ)上添加其它功能，比如視覺(jué)導(dǎo)航等，使其成為 一個(gè)理想的智能自主機(jī)器人研究系統(tǒng)。

相比于其它靜態(tài)平衡載人機(jī)器人(如四輪移動(dòng)機(jī)器人)，本發(fā)明具有自主運(yùn)動(dòng)平 衡的顯著特點(diǎn)，即獨(dú)輪車的載人行走過(guò)程是一個(gè)自主地運(yùn)動(dòng)平衡控制過(guò)程。由于該系統(tǒng)的 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為獨(dú)輪，和地面是點(diǎn)接觸方式，獨(dú)輪車是一個(gè)立于xoy平面的不受限倒立擺，獨(dú)輪 車可能偏離ζ軸向四周360°的任何一個(gè)方向傾倒因此要使獨(dú)輪車(含乘員)穩(wěn)定行走，就 必須使系統(tǒng)在xoy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)和靜止過(guò)程中，在前后方向(yoz平面)和左右方向(X0Z平 面)始終維持動(dòng)態(tài)平衡以保持其始終處于直立狀態(tài)(靜止站立時(shí))或接近直立狀態(tài)(比如， 在直線行進(jìn)過(guò)程中根據(jù)行走速度向前進(jìn)方向傾斜一定角度，或在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中根據(jù)轉(zhuǎn)彎的速 度和角度向轉(zhuǎn)彎一側(cè)傾斜一定角度)。相比于其它動(dòng)態(tài)自平衡載人機(jī)器人(如二輪移動(dòng)機(jī)器人segway)，本發(fā)明具有獨(dú) 輪行走的顯著特點(diǎn)，主要體現(xiàn)為以下3個(gè)方面(1)如前所述，獨(dú)輪車是在前后(yoz平面) 和左右(X0Z平面)2個(gè)方向的倒立擺，而segway則只是在前后(yoz平面)1個(gè)方向的倒立 擺，獨(dú)輪車平衡控制的難度更大；(2)獨(dú)輪車作為載人交通工具其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)更為 機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，應(yīng)用范圍更廣，而像segway那樣的2輪車對(duì)路面平整度和 寬闊度的要求更高，轉(zhuǎn)彎半徑也更大，應(yīng)用受到較多限制；(3)作為娛樂(lè)工具，獨(dú)輪車運(yùn)動(dòng) 可以完成更多的技巧，也更為有趣，更吸引人。比如原地轉(zhuǎn)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(dòng)作。
權(quán)利要求
1.自平衡載人獨(dú)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(shè)置在系統(tǒng)的下方，行走輪(9)的上方設(shè)有機(jī)架(6)，機(jī)架(6)的上方設(shè)有平 衡輪箱(3)，平衡輪箱(3)內(nèi)設(shè)有控制左右平衡的平衡輪(42)，平衡輪箱(3)的上方設(shè)有 控制獨(dú)輪車前后運(yùn)動(dòng)速度的操控手柄O)；所述的機(jī)架(6)內(nèi)設(shè)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(yùn)動(dòng)控制單元51，與運(yùn)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)單元 41和行走輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(quán)利要求1所述的自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)，其特征在于所述的行走輪(9)的 二側(cè)設(shè)有載人踏板(8)。
3.自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟3. 1、設(shè)定Y軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的前進(jìn)方向，X軸正方向?yàn)楠?dú)輪車的左側(cè)方向，Z軸正方 向?yàn)楠?dú)輪車站立時(shí)的向上方向，XOZ平面為獨(dú)輪車在左右方向上傾側(cè)角度的平面，YOZ平面 為獨(dú)輪車在前后方向上傾斜角度的平面；3. 2、通過(guò)扭轉(zhuǎn)操控手柄( 給定獨(dú)輪車希望的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎角度，零扭轉(zhuǎn)角度為原 地靜止站立，正的扭轉(zhuǎn)角度表示前進(jìn)，負(fù)的扭轉(zhuǎn)角度表示后退，扭轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)值越大，希 望行進(jìn)速度的絕對(duì)值就越大；3. 3、獲取傳感器組件(11)的參數(shù)值，該些參數(shù)值包括獨(dú)輪車前進(jìn)過(guò)程中向左側(cè)轉(zhuǎn)彎 時(shí)機(jī)架(6)向X軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨(dú)輪車在前進(jìn)過(guò)程中向右側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)架(6)向X軸負(fù)方向偏離Z軸的希望傾角值；在YOZ平面內(nèi)，獨(dú)輪車向前行走時(shí)機(jī)架(6)向Y 軸正方向偏離Z軸的希望傾角值；獨(dú)輪車后退時(shí)機(jī)架(6)向Y軸負(fù)方向偏離Z軸的希望傾 角值；3. 4、根據(jù)從傳感器組件(11)獲取的機(jī)架(6)實(shí)際傾角值與希望傾角值之間的誤差值， 對(duì)獨(dú)輪車的行駛狀態(tài)進(jìn)行判斷；3. 5、應(yīng)用行走輪控制方法得到行走輪(9)當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)控制量，通過(guò)行走輪電機(jī)伺服驅(qū) 動(dòng)模塊91驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得希望的行進(jìn)速度和在俯仰方向的平衡；3. 6、根據(jù)獨(dú)輪車當(dāng)前時(shí)刻在左右方向上實(shí)際傾角與希望傾角之間的誤差值，計(jì)算出 平衡輪0 的控制量，驅(qū)動(dòng)平衡輪產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻慕羌铀俣?，獲得一個(gè)在 XOZ平面內(nèi)逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，獲得一個(gè)將獨(dú)輪車扶正的力，使得獨(dú)輪車的實(shí)際傾 斜角度與希望傾斜角度一致，取得動(dòng)態(tài)平衡。
全文摘要
一種自平衡載人獨(dú)輪車系統(tǒng)及控制方法，包括行走單元和控制單元；行走單元的行走輪設(shè)置在系統(tǒng)的下方，行走輪的上方設(shè)有機(jī)架，機(jī)架的上方設(shè)有平衡輪，平衡輪上方設(shè)有控制獨(dú)輪車前后運(yùn)動(dòng)速度的操控手柄；機(jī)架內(nèi)設(shè)有電源和運(yùn)動(dòng)控制單元，操控手柄連接到傳感器組件上；控制單元包括運(yùn)動(dòng)控制單元、與運(yùn)動(dòng)控制單元連接的操控手柄，由傾角傳感器、慣性傳感器組成的傳感器組件，以及平衡輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和行走輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元；平衡輪的軸線與行走輪的軸線垂直并且不相交。采用了獨(dú)輪行走機(jī)構(gòu)，行走靈活；通過(guò)輪轂電機(jī)控制行走輪和平衡輪的正反轉(zhuǎn)，省略了剎車機(jī)構(gòu)，使操作更為簡(jiǎn)便；實(shí)現(xiàn)了獨(dú)輪車不同行進(jìn)速度下在前后方向和左右方向的平衡控制。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102079348SQ20101057992
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者于乃功, 阮曉鋼, 龔道雄 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)