一種兩輪智能平衡車的制作方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于智能車領(lǐng)域，具體涉及一種兩輪智能平衡車。
【【背景技術(shù)】】
[0002]兩輪平衡車價(jià)格低廉，體積小，質(zhì)量輕，便于移動(dòng)與攜帶。與兩輪電動(dòng)車相比，方便操作，靈活性高，可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。與獨(dú)輪車相比，穩(wěn)定性較好，安全系數(shù)較高。并且隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大大提高了兩輪平衡車的控制性能。目前，兩輪平衡車已經(jīng)成為了重要的研究對(duì)象，而且，控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟。
[0003]但是大多數(shù)人主要使用直流有刷電機(jī)做一些相關(guān)的研究，所以雖然平衡車穩(wěn)定性較傳統(tǒng)代步車較好，但是卻不能夠達(dá)到更高的穩(wěn)定性和安全性的要求。另外直流有刷電機(jī)由于內(nèi)部加裝了電流換向用的電刷和換向器，造成了電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障率高，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花容易產(chǎn)生電磁干擾。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種兩輪智能平衡車，提高了平衡車的穩(wěn)定性和安全性。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0006]包括分別與平衡車的車輪相連的兩個(gè)電機(jī)，以及用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路；所述的電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)上連接有用于獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度的傳感器部分，傳感器部分連接控制部分，控制部分用于接收傳感器部分獲取的實(shí)時(shí)速度，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。
[0007]進(jìn)一步地，傳感器部分包括用于獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度的旋轉(zhuǎn)編碼器。
[0008]進(jìn)一步地，傳感器部分還包括用于采集車身偏移的角速度的數(shù)字陀螺儀，以及用于采集車身偏移角度的加速度計(jì)。
[0009]進(jìn)一步地，傳感器部分還包括用來(lái)采集方向控制量的操作桿和用來(lái)檢測(cè)障礙情況的避障傳感器。
[0010]進(jìn)一步地，傳感器部分還包括用來(lái)檢測(cè)路況的紅外傳感器。
[0011]進(jìn)一步地，控制部分還與人機(jī)交互部分相交互。
[0012 ]進(jìn)一步地，人機(jī)交互部分包括無(wú)線通信模塊、按鍵、顯示屏、蜂鳴器和LED燈。
[0013]進(jìn)一步地，平衡車的車底安裝有用于拍攝車底路況視頻的攝像頭，攝像頭與控制部分相交互。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果:
[0015]本實(shí)用新型中采用的直流無(wú)刷電機(jī)摒棄了傳統(tǒng)的電刷和換向器，相比之下，本實(shí)用新型平衡車車體的穩(wěn)定性和可控性更強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是電機(jī)故障率有效降低，后期的維修和保養(yǎng)也比較簡(jiǎn)單，壽命更長(zhǎng);同時(shí)通過(guò)獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度，從而得到與電機(jī)相連且同步的車輪速度，所以控制部分接收實(shí)時(shí)速度后，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，就能夠完成對(duì)車輪速度的調(diào)整，完成車體自平衡的精確控制，有效提高了平衡車的穩(wěn)定性和安全性;本實(shí)用新型整車的系統(tǒng)性能大幅度提升，其產(chǎn)品具有更大的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
[0016]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置數(shù)字陀螺儀和加速度計(jì)，能夠獲取車體的角度和角速度，便于進(jìn)行角度PID控制，使車體能平穩(wěn)的保持直立。
[0017]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置紅外傳感器，利于進(jìn)行路況判斷，利于為調(diào)整平衡車行駛的最高行駛速度提供依據(jù)，以強(qiáng)化自平衡控制以提高安全系數(shù)。
[0018]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置攝像頭，實(shí)現(xiàn)平衡車的無(wú)人偵察功能和車底路況拍攝，提尚運(yùn)彳丁安全性。
【【附圖說(shuō)明】】
[0019]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)總框圖。
[0020]圖2為本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]圖1為系統(tǒng)的總框圖，整個(gè)系統(tǒng)劃分為4個(gè)主要部分:傳感器部分，控制部分，人機(jī)交互部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，傳感器部分連接控制部分，控制部分連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分，且控制部分和人機(jī)交互部分相交互?？刂撇糠植捎肧TM32主控制器芯片，用于控制平衡車的兩個(gè)電機(jī)，并利用傳感器信號(hào)不斷調(diào)整平衡車的姿態(tài)和行駛速度，實(shí)現(xiàn)在不同路況和行駛要求下的整車穩(wěn)定行駛。通過(guò)一些人機(jī)交互模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡車的工作狀態(tài)和性能顯示，并通過(guò)無(wú)線技術(shù)可以完成平衡車的無(wú)人遙控控制能力。其中，電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，且兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)分別與平衡車的車輪相連。
[0023]圖2為硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包括:
[0024](I)傳感器部分:主要由數(shù)字陀螺儀，加速度計(jì)，編碼器，操作桿，避障傳感器和紅外傳感器構(gòu)成。傳感器可直接采集所需要的信息，其中，數(shù)字陀螺儀用來(lái)采集車身偏移的角速度，加速度計(jì)用來(lái)采集車身偏移角度，當(dāng)車體有偏移角度的時(shí)候，重力會(huì)在水平和垂直方向產(chǎn)生兩個(gè)加速度，加速度計(jì)獲取其中一個(gè)通過(guò)計(jì)算來(lái)獲取與豎直方向的夾角;編碼器采用旋轉(zhuǎn)編碼器，用來(lái)采集電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，從而獲取與電機(jī)相連且同步的車輪速度，因此得到平衡車的實(shí)時(shí)速度;操作桿用來(lái)采集方向控制量，避障傳感器用來(lái)檢測(cè)障礙情況，紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)路況。
[0025](2)控制部分:由單片機(jī)和最小系統(tǒng)板組成。主要通過(guò)獲取傳感器的反饋信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行、維持自平衡、和實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。例如獲取旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)字陀螺儀、加速度計(jì)等的反饋信號(hào)，將反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)控制部分的調(diào)理運(yùn)算(倍數(shù)放大和偏置運(yùn)算)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)控制電機(jī)的速度，如實(shí)時(shí)速度、角速度和偏移角度等從而保持車體的自平衡;獲取紅外傳感器的反饋信號(hào)，通過(guò)相關(guān)處理對(duì)路況當(dāng)前的平整度進(jìn)行判斷，從而設(shè)置最高行駛速度和強(qiáng)化自平衡控制以提高安全系數(shù);獲取操作桿的電壓信號(hào)從而產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)來(lái)控制左右兩個(gè)電機(jī)差速運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)控制平衡車完成轉(zhuǎn)向。
[0026](3)人機(jī)交互部分:該部分主要由無(wú)線通信模塊，按鍵，顯示屏，蜂鳴器，LED燈和攝像頭組成。其中無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行信息傳輸和視頻的傳輸，其中，視頻傳輸功能可以實(shí)現(xiàn)平衡車的無(wú)人偵察功能和車底路況查看功能；按鍵可以供用戶選擇模式，可以選擇靈敏度，選擇速度等等；當(dāng)平衡車車處于不同模式或工作狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)亮不同的LED燈，提醒用戶;將電池電量，行駛路程和車前死角視頻等車體信息顯示在顯示屏上。平衡車的車底安裝有用于拍攝車底路況視頻的攝像頭，攝像頭與控制部分相交互。
[0027](4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分:該部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和直流無(wú)刷電機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。
[0028]本實(shí)用新型主要工作過(guò)程及原理:包括了無(wú)線通訊藍(lán)牙模塊的信息交互、車底攝像頭信息的編碼、鍵盤按鍵掃描、采集避障傳感器信號(hào)并通過(guò)避障算法計(jì)算路線(如繼續(xù)直行或拐彎避開(kāi)障礙)、采集路況傳感器信號(hào)并且通過(guò)路況檢測(cè)算法計(jì)算出路況參數(shù)以備調(diào)用，下來(lái)是蜂鳴器提示音、LED指示燈、顯示屏三大人機(jī)交互模塊的控制;通過(guò)路況參數(shù)調(diào)整車體行駛的最高速度參數(shù)、采集加速度計(jì)和陀螺儀的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)卡爾曼濾波處理收集到的陀螺儀和加速度計(jì)的信號(hào)，通過(guò)角度PID對(duì)車體角度進(jìn)行調(diào)整、采集速度傳感器的信號(hào)通過(guò)速度PID完成對(duì)速度的閉環(huán)控制、采集操作桿的電壓信號(hào)并做出相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向、避障控制。
[0029]操作系統(tǒng):系統(tǒng)將采用uCOS嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪平衡車的多任務(wù)實(shí)時(shí)管理。
[0030]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有平衡車存在的缺陷和不足，利用直流無(wú)刷電機(jī)和低成本高性能的STM32主控制器芯片，具體采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，性價(jià)比及穩(wěn)定性高，資源豐富可拓展性高，有效提高了控制的準(zhǔn)確性和可靠性;摒棄了傳統(tǒng)的電刷和換向器，采用傳感器獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度來(lái)控制電機(jī)提高了電機(jī)的可靠性和準(zhǔn)確性以及續(xù)航時(shí)間，并且降低了電機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。本實(shí)用新型優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大幅提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)研究控制電路及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、uCOS-1I操作系統(tǒng)以及各個(gè)功能的控制，提高了平衡車的穩(wěn)定性和耐用性，同時(shí)開(kāi)發(fā)專用的配套手機(jī)控制軟件，并豐富了功能，優(yōu)化了用戶體驗(yàn)，方便了出行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種兩輪智能平衡車，其特征在于，包括分別與平衡車的車輪相連的兩個(gè)電機(jī)，以及用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路;所述的電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)上連接有用于獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度的傳感器部分，傳感器部分連接控制部分，控制部分用于接收傳感器部分獲取的實(shí)時(shí)速度，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，傳感器部分包括用于獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度的旋轉(zhuǎn)編碼器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，傳感器部分還包括用于采集車身偏移的角速度的數(shù)字陀螺儀，以及用于采集車身偏移角度的加速度計(jì)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，傳感器部分還包括用來(lái)采集方向控制量的操作桿和用來(lái)檢測(cè)障礙情況的避障傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，傳感器部分還包括用來(lái)檢測(cè)路況的紅外傳感器。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，控制部分還與人機(jī)交互部分相交互。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，人機(jī)交互部分包括無(wú)線通信模塊、按鍵、顯示屏、蜂鳴器和LED燈。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩輪智能平衡車，其特征在于，平衡車的車底安裝有用于拍攝車底路況視頻的攝像頭，攝像頭與控制部分相交互。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種兩輪智能平衡車，包括分別與平衡車的車輪相連的兩個(gè)電機(jī)，以及用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路；所述的電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)上連接有用于獲取電機(jī)實(shí)時(shí)速度的傳感器部分，傳感器部分連接控制部分，控制部分用于接收傳感器部分獲取的實(shí)時(shí)速度，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。本實(shí)用新型中采用的直流無(wú)刷電機(jī)摒棄了傳統(tǒng)的電刷和換向器，相比之下，本實(shí)用新型平衡車車體的穩(wěn)定性和可控性更強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是電機(jī)故障率有效降低，后期的維修和保養(yǎng)也比較簡(jiǎn)單，壽命更長(zhǎng)。整車的系統(tǒng)性能大幅度提升，其產(chǎn)品具有更大的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】B62K17/00
【公開(kāi)號(hào)】CN205327297
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521030084
【發(fā)明人】林海, 李曉輝, 劉一恒, 李龍, 馬家樂(lè), 毛宜酉, 劉瀚, 劉彤, 牛翻紅, 張敬慧, 楊巧慧, 張員境
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月22日
【申請(qǐng)日】2015年12月10日