本發(fā)明屬于自平衡車技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水上自平衡車。

背景技術(shù)：

隨著人們生活水平的提高，人們對交通工具的追求也從簡單的性能到新穎和創(chuàng)意。這幾年自平衡車的迅猛發(fā)展便說明了這一點(diǎn)。自平衡車是一種控制理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的產(chǎn)物，給人對交通工具一種新的認(rèn)識。自平衡車也不僅僅是一種交通工具，還是一種高檔的玩具，它可以按照你身體的姿勢來前進(jìn)、后退。而目前來說自平衡車應(yīng)用在陸地上，但很多時候水面上也是我們交通、娛樂的場所。這便需要將陸地上的自平衡車轉(zhuǎn)移到水面上了。而目前還沒有出現(xiàn)過水面上的自平衡車，陸上的自平衡車也不能直接應(yīng)用到水面上，因?yàn)樵陉懨嫔掀胶廛囀且粋€二維的控制，而水面上是一個三維的控制，多了一個維度，控制也會變得相對復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種水上自平衡車，旨在填補(bǔ)水上自平衡車缺少的問題。

本發(fā)明提供了一種水上自平衡車，包括方向桿、踏板、控制盒、電池、舵機(jī)、驅(qū)動電機(jī)和螺旋槳；其中：

所述方向桿的一端通過軸承與踏板連接，方向桿轉(zhuǎn)動具有摩擦力小和自動回零的特性；在軸承與踏板連接處裝有霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出和控制盒相連，用于檢測方向桿的擺角并輸出擺角信息到控制盒；方向桿另一端為手持部，用于左右擺動調(diào)節(jié)方向；

所述踏板是平衡車的骨架，用輕而堅(jiān)固的材料制成，用于承載人員和安裝包括控制盒、方向桿、舵機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、電池在內(nèi)的部件，踏板設(shè)有重力傳感器，用于檢測踏板上物體的重量；重力傳感器接控制盒里面的控制模塊，用于傳送重量數(shù)據(jù)；

所述電池安裝在踏板的底部或側(cè)部，用于給本平衡車提供電能，該電池為可充式并設(shè)有充電接口；

所述舵機(jī)包括左舵機(jī)和右舵機(jī)，對稱于方向桿，固定在所述踏板底面；左右舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸可分別實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)，左右驅(qū)動電機(jī)分別固定在左右舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，可隨舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動，從而改變驅(qū)動電機(jī)軸向方向與踏板表面法向量的夾角；從而改變電機(jī)推力方向；

所述驅(qū)動電機(jī)包括左驅(qū)動電機(jī)和右驅(qū)動電機(jī)，所述螺旋槳包括左螺旋槳和右螺旋槳，分別固定在左、右驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；左右驅(qū)動電機(jī)及左右螺旋槳分別構(gòu)成左、右兩套推力系統(tǒng)，對稱于方向桿固定在所述踏板底面；驅(qū)動電機(jī)的軸向與踏板表面法向量的夾角分別隨其對應(yīng)的舵機(jī)的輸出角而變化，所述踏板表面法向量為平衡車平置在水面上時，垂直于踏板表面向上的方向；

所述控制盒包括控制模塊、傳感器模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊；所述控制盒安裝在踏板的下方，固定在踏板的表面；所述傳感器模塊包括三維加速度傳感器和三維陀螺儀傳感器；所述三維加速度傳感器用于檢測平衡車速度，三維陀螺儀傳感器用于檢測平衡車的姿態(tài)，包括傾角、加速度和偏航角；所述傳感器模塊所采集到的數(shù)據(jù)均傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊接收到三維陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)，先經(jīng)過濾波算法得到姿態(tài)信息，再通過控制算法計算出當(dāng)前的控制量，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，將控制量傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動模塊上；所述電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)在控制盒內(nèi)，用于根據(jù)獲得的控制量控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而保持整個平衡車的運(yùn)動和平衡；

工作時，平衡車啟動后，舵機(jī)的初始轉(zhuǎn)角為0度，驅(qū)動電機(jī)的軸向與平衡車踏板表面的法向量平行，即驅(qū)動電機(jī)的推力的初始方向垂直向上，以抵消平衡車自身的重力，達(dá)到平衡；傳感器模塊將采集到的陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度計的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K中，控制模塊計算出平衡車當(dāng)前的姿態(tài)和速度，由此得到當(dāng)前的控制量包括驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，再將控制量傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動模塊上，電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)接收到的控制量，控制驅(qū)動電機(jī)和舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋槳產(chǎn)生的推力與平衡車整體的重力相平衡；

當(dāng)車前傾，則控制舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度(假定平衡車向右傾為前傾，向左傾為后傾，則當(dāng)舵機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn))，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成正角度(假定平衡車向右傾為前傾，向左傾為后傾，則當(dāng)電機(jī)的軸向方向在踏板表面法向量的右邊則為正角度，反之為負(fù)角度)，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣車體就會反向往后擺動實(shí)現(xiàn)前傾糾正；若當(dāng)車后傾，則控制舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成負(fù)角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣車體就會反向向前擺動實(shí)現(xiàn)后傾糾正，通過不斷地調(diào)整，最后車體保存直立狀態(tài)；

當(dāng)人在車上，踏板上的重力傳感器可檢測到人體的重量，重量信息傳輸?shù)娇刂破髂K中，控制器模塊可計算出驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加量，并傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動模塊上；當(dāng)身體向前傾的時候，舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成正角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，車便會向前運(yùn)動；當(dāng)人在車上，身體向后傾的時候，舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成負(fù)角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，車便會向后運(yùn)動；

當(dāng)左、右擺動方向桿的時候，霍爾傳感器將檢測到的擺角信息發(fā)送到控制盒里面的控制模塊中，控制模塊通過控制算法計算出控制量并傳輸?shù)蕉鏅C(jī)上，舵機(jī)改變驅(qū)動電機(jī)與踏板表面法向量的夾角，從而改變螺旋槳推力的方向，從而實(shí)現(xiàn)了車整體向左、右轉(zhuǎn)；如當(dāng)方向桿向左擺動方向桿的時候，左邊舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，右邊舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣便可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)；如當(dāng)方向桿向右擺動方向桿的時候，左邊舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，右邊舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣便可以實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)；通過不斷調(diào)整舵機(jī)輸出角，改變驅(qū)動電機(jī)軸與鉛垂線角度的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)水上自平衡車的直立、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎功能。

進(jìn)一步的，所有部件都具有防水功能。

進(jìn)一步的，所述控制盒可以控制所述平衡車在水面的附近上下浮動。

進(jìn)一步的，所述傳感器模塊還包括溫度傳感器，其輸出與控制模塊相連，用于檢測溫度并將溫度數(shù)據(jù)送至控制模塊，以補(bǔ)償三維加速度傳感器和三維陀螺儀傳感器的溫漂。

進(jìn)一步的，所述濾波算法包括卡爾曼濾波算法、互補(bǔ)濾波算法和低通濾波算法。

進(jìn)一步的，所述控制算法包括雙閉環(huán)PID算法、預(yù)測控制算法和LQR控制算法。

本發(fā)明可以提供一種水上自平衡車，該平衡車可在水面保持平衡狀態(tài)，并可以由人體的姿態(tài)來控制車體的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等，通過增加舵機(jī)這一環(huán)節(jié)來控制驅(qū)動電機(jī)的推力方向，實(shí)現(xiàn)了推力的矢量控制，進(jìn)而將陸上二維的平衡車提升了一個控制維度，實(shí)現(xiàn)了三維平衡狀態(tài)的控制，滿足人們在水面上體驗(yàn)自平衡車的愿望，還可以作為一種水面上的交通工具。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的水上自平衡車結(jié)構(gòu)正視圖示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的水上自平衡車結(jié)構(gòu)側(cè)視圖示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的水上自平衡車電機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例的有效性而提供的控制盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例水上自平衡車直立時側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例水上自平衡車傾斜狀態(tài)時側(cè)視圖；

圖7為驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例水上自平衡車平衡狀態(tài)時側(cè)視圖；

其中，圖1為水上自平衡車的整體結(jié)構(gòu)、201為方向桿、202為霍爾傳感器、203為控制盒、204為鋰電池、205為踏板、206為舵機(jī)、207為驅(qū)動電機(jī)、208為螺旋槳、209為傳感器模塊、210為控制器模塊、211為電機(jī)驅(qū)動器模塊。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(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(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在水上自平衡車行使過程中，控制盒可以檢測到水上自平衡車踏板的姿態(tài)，同時通過雙閉環(huán)PID控制算法實(shí)現(xiàn)踏板保持水平狀態(tài)。因此當(dāng)人站在踏板上的時候可以站立不倒，人體的傾角不同便會導(dǎo)致平衡車的不同運(yùn)動狀態(tài)。人體往前傾的時候，平衡車往前走；人體往后仰的時候，平衡車往后走；人搖動方向桿的時候，平衡車也會跟著轉(zhuǎn)動。而這些的實(shí)現(xiàn)都是控制模塊通過采集傳感器模塊的數(shù)據(jù)和方向桿的角度數(shù)據(jù)，同時控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。

下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

圖1、圖2為本實(shí)施例正視和側(cè)視示意圖；圖3為本實(shí)施例提供的水上自平衡車電機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例的有效性而提供的控制盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，控制盒里面包含著控制器模塊、傳感器模塊和電機(jī)驅(qū)動器模塊，傳感器模塊用來采集平衡車的姿態(tài)和速度信息，控制器模塊用來根據(jù)傳感器模塊的數(shù)據(jù)計算出控制量并輸出到電機(jī)驅(qū)動器模塊，電機(jī)驅(qū)動器模塊用來接收到控制模塊輸出的控制量，并相應(yīng)地控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。

在本發(fā)明實(shí)施例中，水上自平衡車通過對舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)自身的平衡以及存在重物時的平衡。在本實(shí)施例中用的控制算法用的是是雙閉環(huán)PID算法，傳感器包括加速度傳感器和陀螺儀傳感器，控制器器件為STM32單片機(jī)，具體工作過程如下：

工作時，平衡車啟動后，舵機(jī)的初始轉(zhuǎn)角為0度，如圖5所示，驅(qū)動電機(jī)的軸向與平衡車踏板表面的法向量平行，以抵消平衡車自身的重力，達(dá)到平衡，其中驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋槳產(chǎn)生推力的大小可實(shí)際測試出來，使其與平衡車自身重力相等；傳感器模塊將采集到的陀螺儀的數(shù)據(jù)和加速度計的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K中，控制模塊里面的STM32單片機(jī)計算出平衡車當(dāng)前的姿態(tài)和速度，并通過雙閉環(huán)PID控制算法得到當(dāng)前的控制量包括驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，再將控制量傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動模塊上，電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)接收到的控制量，控制驅(qū)動電機(jī)和舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋槳產(chǎn)生的推力與平衡車整體的重力相平衡，即如圖5所示，推力F的方向豎直向上，剛好抵消自身的重力G，平衡車可以保持平衡；

當(dāng)車后傾，則控制舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度如圖6所示(假定平衡車向右傾為前傾，向左傾為后傾，則當(dāng)舵機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn))，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成負(fù)角度(假定平衡車向右傾為前傾，向左傾為后傾，則當(dāng)電機(jī)的軸向方向在踏板表面法向量的右邊則為正角度，反之為負(fù)角度)，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣車體就會反向往前擺動實(shí)現(xiàn)后傾糾正，如圖7所示；若當(dāng)車前傾，則控制舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成正角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣車體就會反向向前擺動實(shí)現(xiàn)前傾糾正，通過不斷地調(diào)整，最后車體保存直立狀態(tài)；

當(dāng)人在車上，踏板上的重力傳感器可檢測到人體的重量，重量信息傳輸?shù)娇刂破髂K中，控制器模塊可計算出驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加量，并傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動模塊上；當(dāng)身體向前傾的時候，舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成正角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，車便會向前運(yùn)動；當(dāng)人在車上，身體向后傾的時候，舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，即驅(qū)動電機(jī)的軸向方向與踏板表面法向量夾角變成負(fù)角度，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，車便會向后運(yùn)動；

當(dāng)左、右擺動方向桿的時候，霍爾傳感器將檢測到的擺角信息發(fā)送到控制盒里面的控制模塊中，控制模塊通過雙閉環(huán)PID控制算法計算出控制量并傳輸?shù)蕉鏅C(jī)上，舵機(jī)改變驅(qū)動電機(jī)與踏板表面法向量的夾角，從而改變螺旋槳推力的方向，從而實(shí)現(xiàn)了車整體向左、右轉(zhuǎn)；如當(dāng)方向桿向左擺動方向桿的時候，左邊舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度，右邊舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度(舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)的定義同上)，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣便可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)；如當(dāng)方向桿向右擺動方向桿的時候，左邊舵機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，右邊舵機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度(舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)的定義同上)，同時驅(qū)動電機(jī)速度加快，這樣便可以實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)；

與陸上自平衡車不同，本發(fā)明提出的水上自平衡車，控制維度為三維，不僅需要控制平衡車的平面運(yùn)動，也需要控制平衡車保持在水面。不僅通過人體來控制車的前進(jìn)和后退，而且還通過增加舵機(jī)這一控制環(huán)節(jié)來提升控制的維度，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角改變螺旋槳推力的方向，實(shí)現(xiàn)平衡車保持在水面上的平衡狀態(tài)。通過不斷調(diào)整舵機(jī)輸出角，改變驅(qū)動電機(jī)軸與鉛垂線角度的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)水上自平衡車的直立、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎功能。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。