一種獨輪自平衡代步車的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種獨輪自平衡代步車，該獨輪自平衡代步車包括：兩個側(cè)擋板，與兩個側(cè)擋板轉(zhuǎn)動連接的轉(zhuǎn)輪，與轉(zhuǎn)輪連接并驅(qū)動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的無刷輪轂電機，與無刷輪轂電機連接的控制裝置，與控制裝置連接的蓄能電池，以及分別固定在側(cè)擋板外側(cè)的可折疊踏板，分別可拆卸的固定在兩個側(cè)擋板上的扶手。本實用新型的有益效果是：本制作是獨輪自平衡代步車，實現(xiàn)載人行駛的功能。通過設(shè)置的扶手提高了代步車在運行時的穩(wěn)定性，以及人體在使用時的安全性能。
【專利說明】一種獨輪自平衡代步車

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及到交通工具的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及到一種獨輪自平衡代步車。

【背景技術(shù)】
[0002]與一般移動機器人相比，獨輪代步車只有一個支點與地面接觸，是一種典型的倒立擺模型。由于整個車體只需一個輪轂即可行駛，在城市短距離出行情況下，具有靈活，節(jié)能等優(yōu)勢。但現(xiàn)有技術(shù)中的獨輪代步車僅有一個支架以及設(shè)置在支架上的輪轂，人站上去后，雙手懸空，沒有任何可把持的物體，平衡較難掌握，且在出現(xiàn)故障時，人體容易摔倒受傷。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種獨輪自平衡代步車。
[0004]本實用新型是通過以上技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]本實用新型提供了一種獨輪自平衡代步車，該獨輪自平衡代步車包括:兩個側(cè)擋板，與所述兩個側(cè)擋板轉(zhuǎn)動連接的轉(zhuǎn)輪，與所述轉(zhuǎn)輪連接并驅(qū)動所述轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的無刷輪轂電機，與所述無刷輪轂電機連接的控制裝置，與所述控制裝置連接的蓄能電池，以及分別固定在所述側(cè)擋板外側(cè)的可折疊踏板，分別可拆卸的固定在所述兩個側(cè)擋板上的扶手；其中，所述控制裝置包括:
[0006]采集轉(zhuǎn)輪加速度的加速度計；
[0007]采集所述轉(zhuǎn)輪角速度的陀螺儀；
[0008]與所述加速度計、陀螺儀及所述無刷輪轂電機信號連接的單片機，所述單片機根據(jù)所述加速度計及所述陀螺儀分別采集的加速度及角速度參數(shù)計算出轉(zhuǎn)輪的平衡參數(shù)，根據(jù)所述平衡參數(shù)控制所述無刷輪轂電機運動。
[0009]優(yōu)選的，還包括分別設(shè)置在所述側(cè)擋板上的硬塑料檔板。
[0010]優(yōu)選的，還包括設(shè)置在所述扶手上的防滑套。
[0011]優(yōu)選的，所述蓄能電池為鋰電池。
[0012]本實用新型的有益效果是:本制作是獨輪自平衡代步車，實現(xiàn)載人行駛的功能。通過設(shè)置的扶手提高了代步車在運行時的穩(wěn)定性，以及人體在使用時的安全性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型實施例提供的獨輪自平衡代步車的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0014]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0015]請參閱圖1，圖1是本實用新型提供的獨輪自平衡代步車的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]本實用新型實施例提供了一種獨輪自平衡代步車，該獨輪自平衡代步車包括:兩個側(cè)擋板2，與所述兩個側(cè)擋板2轉(zhuǎn)動連接的轉(zhuǎn)輪，與所述轉(zhuǎn)輪連接并驅(qū)動所述轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的無刷輪轂電機4，與所述無刷輪轂電機4連接的控制裝置5，與所述控制裝置5連接的蓄能電池，以及分別固定在所述側(cè)擋板2外側(cè)的可折疊踏板3，分別可拆卸的固定在所述兩個側(cè)擋板2上的扶手6 ;其中，所述控制裝置5包括:
[0017]采集轉(zhuǎn)輪加速度的加速度計；
[0018]采集所述轉(zhuǎn)輪角速度的陀螺儀；
[0019]與所述加速度計、陀螺儀及所述無刷輪轂電機4信號連接的單片機，所述單片機根據(jù)所述加速度計及所述陀螺儀分別采集的加速度及角速度參數(shù)計算出轉(zhuǎn)輪的平衡參數(shù)，根據(jù)所述平衡參數(shù)控制所述無刷輪轂電機4運動。
[0020]在上述實施例中，通過在兩個側(cè)擋板2上設(shè)置扶手6，使用者在使用時可以通過雙手來調(diào)整人體的平衡，提高了代步車在使用時的簡便性，同時，在出現(xiàn)加速、減速、側(cè)轉(zhuǎn)彎時，使用者可以通過扶手6來調(diào)整人體的平衡，從而提高了使用時的安全性。在出現(xiàn)意外時，使用者的雙手可以通過扶手6來調(diào)整自己的狀態(tài)，避免受到傷害。
[0021]此外，控制裝置5中的單片機采用STM32單片機，傳感器中的加速度計采用加速度計MMA8451，陀螺儀采用陀螺儀ENC-03 ;信息處理芯片采用MPU6050數(shù)字加速度計陀螺儀芯片(可使用內(nèi)部DMP處理)。在控制時，以STM32單片機為主控，通過加速度計MMA8451與陀螺儀ENC-03采集到模型車的加速度和角速度參數(shù)，經(jīng)前期數(shù)據(jù)處理后代入Kalman濾波器，融合出最優(yōu)的真實角度數(shù)據(jù)。再通過兩個PID算法實現(xiàn)穩(wěn)定的平衡效果。
[0022]其中，MPU-6000 (6050)為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000° /sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的IC或最高達(dá)20MHz的SPI (MPU-6050沒有SPI )。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口 VVD1供電為1.8V土5% (MPU6000僅用VDD)。MPU-6000的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有±1%變動的振蕩器。
[0023]其中的陀螺儀為微機械陀螺儀，其工作原理為:利用科里奧利力(Cor1lisforce,又稱為科氏力)現(xiàn)象。
[0024]科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性，在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運動的質(zhì)點，由于慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續(xù)運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時間的運動之后，體系中質(zhì)點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。
[0025]旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀會對各種形式的直線運動產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運動的測量與控制。
[0026]上述傳感器優(yōu)缺點
[0027]A、加速度計優(yōu)點:無累積誤差，長時間來看穩(wěn)定。
[0028]B、陀螺儀優(yōu)點:數(shù)據(jù)噪聲較小，短時間內(nèi)誤差小
[0029]結(jié)合兩種傳感器的優(yōu)缺點，使用卡爾曼濾波器(Kalman Filter)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到接近真實值的最有角度數(shù)據(jù)。卡爾曼濾波器原理:卡爾曼濾波建立在線性代數(shù)和隱馬爾可夫模型(hidden Markov model)上。其基本動態(tài)系統(tǒng)可以用一個馬爾可夫鏈表示,該馬爾可夫鏈建立在一個被高斯噪聲(即正態(tài)分布的噪聲)干擾的線性算子上的。系統(tǒng)的狀態(tài)可以用一個元素為實數(shù)的向量表示。隨著離散時間的每一個增加，這個線性算子就會作用在當(dāng)前狀態(tài)上，產(chǎn)生一個新的狀態(tài)，并也會帶入一些噪聲，同時系統(tǒng)的一些已知的控制器的控制信息也會被加入。同時，另一個受噪聲干擾的線性算子產(chǎn)生出這些隱含狀態(tài)的可見輸出?？柭鼮V波是一種遞歸的估計，即只要獲知上一時刻狀態(tài)的估計值以及當(dāng)前狀態(tài)的觀測值就可以計算出當(dāng)前狀態(tài)的估計值，因此不需要記錄觀測或者估計的歷史信息。卡爾曼濾波器與大多數(shù)濾波器不同之處，在于它是一種純粹的時域濾波器，它不需要像低通濾波器等頻域濾波器那樣，需要在頻域設(shè)計再轉(zhuǎn)換到時域?qū)崿F(xiàn)?？柭鼮V波器算法:這一部分描述源于Dr Kalman的卡爾曼濾波器,涉及的基本概念知識包括概率(Probability),隨機變量(Random Variable),高斯或正態(tài)分配(Gaussian Distribut1n)還有 State-spaceModel等等。但對于卡爾曼濾波器的詳細(xì)證明，這里不能一一描述。首先，我們先要引入一個離散控制過程的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用一個線性隨機微分方程(Linear StochasticDifference equat1n)來描述:
[0030]X (k) =A X(k-1)+B U(k)+ff(k)
[0031]再加上系統(tǒng)的測量值:
[0032]Z (k) =H X (k) +V (k)
[0033]上兩式子中，X(k)是k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，U(k)是k時刻對系統(tǒng)的控制量。A和B是系統(tǒng)參數(shù)，對于多模型系統(tǒng)，他們?yōu)榫仃?。Z(k)是k時刻的測量值，H是測量系統(tǒng)的參數(shù)，對于多測量系統(tǒng)，H為矩陣。W(k)和V(k)分別表示過程和測量的噪聲。他們被假設(shè)成高斯白噪聲(White Gaussian Noise),他們的covariance分別是Q,R(這里我們假設(shè)他們不隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化)。
[0034]對于滿足上面的條件(線性隨機微分系統(tǒng)，過程和測量都是高斯白噪聲)，卡爾曼濾波器是最優(yōu)的信息處理器。下面我們結(jié)合他們的covariances來估算系統(tǒng)的最優(yōu)化輸出。
[0035]首先我們要利用系統(tǒng)的過程模型，來預(yù)測下一狀態(tài)的系統(tǒng)。假設(shè)現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據(jù)系統(tǒng)的模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)而預(yù)測出現(xiàn)在狀態(tài):
[0036]X (k I k_l) =A X(k_l|k_l)+B U (k)...........(I)
[0037]式⑴中，X(k|k-1)是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果，X(k_l |k-l)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果，U(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量，如果沒有控制量，它可以為O。
[0038]到現(xiàn)在為止，我們的系統(tǒng)結(jié)果已經(jīng)更新了，可是，對應(yīng)于X(k|k-1)的covariance還沒更新。我們用P表示covariance:
[0039]P (k |k-l) =A P(k-1 |k-l) A’+Q.........(2)
[0040]式(2)中，P(k|k_l)是X(k|k_l)對應(yīng)的 covariance, P (k_l | k_l)是 X(k_l|k_l)對應(yīng)的covariance, A’表示A的轉(zhuǎn)置矩陣，Q是系統(tǒng)過程的covariance。式子1,2就是卡爾曼濾波器5個公式當(dāng)中的前兩個，也就是對系統(tǒng)的預(yù)測。
[0041]現(xiàn)在我們有了現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果，然后我們再收集現(xiàn)在狀態(tài)的測量值。結(jié)合預(yù)測值和測量值，我們可以得到現(xiàn)在狀態(tài)(k)的最優(yōu)化估算值X (k Ik):
[0042]X (k I k) = X (k |k-l)+Kg (k) (Z(k)-H X(k|k_l)).........(3)
[0043]其中Kg為卡爾曼增益(Kalman Gain):
[0044]Kg (k) = P(k|k-1) H，/ (H P(k|k_l) Η，+ R).........(4)
[0045]到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)得到了 k狀態(tài)下最優(yōu)的估算值X(k|k)。但是為了要令卡爾曼濾波器不斷的運行下去直到系統(tǒng)過程結(jié)束，我們還要更新k狀態(tài)下X(k|k)的covariance:
[0046]P (k I k) = (1-Kg (k) H) P (k |k-l).........(5)
[0047]其中I為I的矩陣，對于單模型單測量，1=1。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入k+Ι狀態(tài)時，P (k |k)就是式子(2)的P(k-l|k-l)。這樣，算法就可以自回歸的運算下去。
[0048]卡爾曼濾波器的原理基本描述了，式子1，2，3，4和5就是他的5個基本公式。根據(jù)這5個公式，可以很容易用計算機編程實現(xiàn)。
[0049]此外，該代步車還包括分別設(shè)置在所述側(cè)擋板2上的硬塑料擋板1，方便使用者夾住騎行，同時提高了整個設(shè)備的強度。
[0050]更佳的，為了提高使用者的安全性，該扶手6上設(shè)置有防滑套，從而使使用者能夠穩(wěn)定的抓住扶手6。
[0051]其中的蓄能電池為鋰電池，具有較大的續(xù)航能力，提高了代步車的使用行程。
[0052]通過上述描述可以看出，本制作是獨輪自平衡代步車，實現(xiàn)載人行駛的功能。通過設(shè)置的扶手提高了代步車在運行時的穩(wěn)定性，以及人體在使用時的安全性能。
[0053]以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種獨輪自平衡代步車，其特征在于，包括:兩個側(cè)擋板，與所述兩個側(cè)擋板轉(zhuǎn)動連接的轉(zhuǎn)輪，與所述轉(zhuǎn)輪連接并驅(qū)動所述轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的無刷輪轂電機，與所述無刷輪轂電機連接的控制裝置，與所述控制裝置連接的蓄能電池，以及分別固定在所述側(cè)擋板外側(cè)的可折疊踏板，分別可拆卸的固定在所述兩個側(cè)擋板上的扶手；其中，所述控制裝置包括:采集轉(zhuǎn)輪加速度的加速度計；采集所述轉(zhuǎn)輪角速度的陀螺儀；與所述加速度計、陀螺儀及所述無刷輪轂電機信號連接的單片機，所述單片機根據(jù)所述加速度計及所述陀螺儀分別采集的加速度及角速度參數(shù)計算出轉(zhuǎn)輪的平衡參數(shù)，根據(jù)所述平衡參數(shù)控制所述無刷輪轂電機運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨輪自平衡代步車，其特征在于，還包括分別設(shè)置在所述側(cè)擋板上的硬塑料檔板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨輪自平衡代步車，其特征在于，還包括設(shè)置在所述扶手上的防滑套。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3任一項所述的獨輪自平衡代步車，其特征在于，所述蓄能電池為鋰電池。
【文檔編號】B62K11/00GK204021128SQ201420504972
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】楊修齊, 李呈宗, 李楚璇, 王雪霏, 范宏偉, 朱曉光 申請人:華北電力大學(xué)（保定）