一種基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種新型環(huán)保代步交通工具，涉及倒立擺自動控制和陀螺儀穩(wěn)定器的應(yīng)用，具體講是一種基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車。
【背景技術(shù)】
[0002]獨輪車的歷史可以追溯到中國漢代的“手推車”，在現(xiàn)代交通工具廣泛使用之前，它是一種便利的載物工具。原始的獨輪車作為一種騎行工具多見于馬戲團(tuán)，它集運動、娛樂、健身于一體，但騎行有很大的難度。實際上，獨輪車構(gòu)成了一個倒立擺系統(tǒng)，而倒立擺系統(tǒng)是一個經(jīng)典的多變量、非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)，完全靠人力控制其行走當(dāng)然會產(chǎn)生很大難度。
[0003]現(xiàn)代控制理論已經(jīng)有成熟的方法控制倒立擺的倒立和移動。倒立擺控制方法和技術(shù)在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機器人技術(shù)、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)和航空器對接控制技術(shù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。美國Segway公司將倒立擺控制技術(shù)應(yīng)用于雙輪小車，開發(fā)出了Segway電動平衡車，而Solowheel公司則是將這種技術(shù)應(yīng)用于單輪車，開發(fā)出了電動獨輪平衡車。盡管Solowheel電動獨輪平衡車能實現(xiàn)前后自平衡，比原始的獨輪車騎行簡單且能省人力，但左右平衡仍然需要騎行者人為控制，而這種控制技巧需要較長時間的練習(xí)才能獲得，這極大限制了獨輪車的使用場合和使用人群。
[0004]陀螺儀的定軸性和進(jìn)動性在人們研究剛體轉(zhuǎn)動時并已經(jīng)認(rèn)識到，實際上，在1850年法國物理學(xué)家萊昂.傅科(J.Foucault)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中地的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸一直指向同一方向，并且他首次命名了陀螺儀。第一臺實用的陀螺儀器問世已過了大半個世紀(jì)，但人們對陀螺儀的研究從未停止?，F(xiàn)在的陀螺儀產(chǎn)品可謂多種多樣，從最早的機械式陀螺儀到現(xiàn)在的電子陀螺儀，還有光纖陀螺儀、激光陀螺儀、MEMS陀螺儀等，陀螺儀的形態(tài)已經(jīng)完全發(fā)生各種各樣的演化。應(yīng)用陀螺儀的定軸性，可以將其作為陀螺穩(wěn)定器，用來穩(wěn)定浪濤中的船體。施利克被動式穩(wěn)定器實質(zhì)上就是一個裝在船上的大型二自由度重力陀螺儀，斯佩里主動式穩(wěn)定器則是在被動式穩(wěn)定器的基礎(chǔ)上增加一個小型操縱陀螺儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提高獨輪車的穩(wěn)定性、安全性和易用性，提供一種安全可靠且便攜環(huán)保的基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車，包括車體、車輪、腳踏和驅(qū)動車輪運行的電機，還包括控制模塊和陀螺儀穩(wěn)定器，控制模塊包括微處理器、電子陀螺儀和用于測量車輪轉(zhuǎn)速的速度傳感器，陀螺儀穩(wěn)定器安裝在車體內(nèi)部，位于腳踏的下方，陀螺儀穩(wěn)定器包含對獨輪車直立起穩(wěn)定作用的二自由度陀螺儀和用于測量二自由度陀螺儀轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，框架軸平行于車輪的輪軸，電子陀螺儀、速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器分別與微處理器的輸入端相連，微處理器的輸出端與電機和二自由度陀螺儀相連。
[0007]進(jìn)一步地，所述控制模塊還包括用于測量車體與地面傾斜角度的角度傳感器，角度傳感器與微處理器的輸入端相連。
[0008]進(jìn)一步地，所述自平衡電動獨輪車還包括電能回收模塊，電能回收模塊與供電電池相連。
[0009]本發(fā)明基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車，二自由度陀螺儀作為陀螺儀穩(wěn)定器，運行時對獨輪車起前后方向、左右方向的穩(wěn)定作用，其轉(zhuǎn)子軸鉛直放置，框架軸平行于獨輪車的輪軸，當(dāng)車體側(cè)搖時，二自由度陀螺儀力矩迫使框架攜帶轉(zhuǎn)子一起相對于車體旋進(jìn)，而這種搖擺式旋進(jìn)產(chǎn)生另一個陀螺力矩，對車體左右方向起穩(wěn)定作用。二自由度陀螺儀的工作狀態(tài)根據(jù)車子的運行狀態(tài)不斷調(diào)整，它由控制模塊實時控制。控制模塊不僅能控制二自由度陀螺儀的運轉(zhuǎn)，而且能夠通過控制電機帶動車輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)人體自平衡，并根據(jù)車體的姿態(tài)控制運動速度。人體與獨輪車整體構(gòu)成一個倒立擺系統(tǒng)，電子陀螺儀、速度傳感器以及角度傳感器等傳感器，能實時檢測系統(tǒng)的姿態(tài)，并通過微處理器對姿態(tài)信號進(jìn)行實時處理來控制倒立擺系統(tǒng)直立運行。
[0010]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:本發(fā)明基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車，將倒立擺控制技術(shù)、陀螺儀穩(wěn)定器與獨輪車進(jìn)行有機融合，解決了獨輪車的前后左右各個方向的穩(wěn)定性問題，提高了獨輪車騎行的安全性和易用性，它能極大地擴(kuò)大了獨輪車的使用環(huán)境和適用人群，既可以作為便攜的環(huán)保綠色代步交通工具，也可以作為一種娛樂健身工具。在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，本發(fā)明的普及可以緩解資源的消耗和空氣污染等問題。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的A-A向剖視圖。
[0013]圖3是本發(fā)明基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車的控制原理示意圖。
[0014]圖4是二自由度陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中所示:1、車體2、車輪3、腳踏4、電機5、控制模塊51、微處理器52、電子陀螺儀53、速度傳感器54、角度傳感器6、陀螺儀穩(wěn)定器61、二自由度陀螺儀611、轉(zhuǎn)子軸612、框架軸613、轉(zhuǎn)子614、框架62、轉(zhuǎn)速傳感器7、電能回收模塊8、供電電池。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0017]如圖1-圖3所示:一種基于陀螺儀穩(wěn)定器的自平衡電動獨輪車，包括車體1、車輪
2、腳踏3和驅(qū)動車輪2運行的電機4。以上均為現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的主要發(fā)明點在于:自平衡電動獨輪車還包括控制模塊5和陀螺儀穩(wěn)定器6，不僅能實現(xiàn)前后方向的自平衡，還能實現(xiàn)左右方向的平衡。控制模塊5包括微處理器51、電子陀螺儀52和用于測量車輪2轉(zhuǎn)速的速度傳感器53。陀螺儀穩(wěn)定器6安裝在車體