一种独轮车装置及其控制实现方法与流程

本发明涉及一种自平衡车装置及其控制方法，尤其涉及的是一种独轮车装置及其控制实现方法。

背景技术：

现有技术中已经存在一种单轮或两轮的自平衡车，但这种自平衡车的实现是通过使用者人体的前后重心控制实现人体自动平衡的，而在车体支架内一般只设置控制驱动系统以及通过该系统驱动控制的运动系统。而通过车体内的自动平衡控制来主动实现对车体本身自平衡的装置尚未出现。

现有技术虽然已经存在陀螺仪的实现方案，但大多是用来做大型设备的自平衡参数检测，或导航应用，目前尚无直接通过对飞轮的控制实现对自平衡车的驱动方案实现。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种独轮车装置及其控制方法，实现利用车体内自身结构实现自平衡的装置和方法，能够自动站立和运动、转弯等等，实现一种全新的自平衡独轮车装置及其控制实现方法。

本发明的技术方案如下：

一种独轮车装置，其包括外侧用于与地面接触驱动的一轮胎，通过沿所述轮胎圆周设置的齿条，并对应啮合该齿条设置有一第一马达驱动系统；其中，所述第一马达驱动系统设置在一主支架上，所述主支架设置在所述轮胎内的中空空间内；并且在所述主支架上还设置有一飞轮支架，在所述飞轮支架上设置有一飞轮；以及在所述飞轮支架上设置有一第二马达驱动系统，用于驱动所述飞轮的转动，和一第三马达驱动系统，用于驱动所述飞轮及飞轮支架左右摆动；所述主支架上设置的飞轮、飞轮支架以及第一马达驱动系统、第二马达驱动系统和第三马达驱动系统的整体重心低于主支架的中心设置。

所述的独轮车装置，其中，所述飞轮支架的左右摆动通过一转轴可转动地支撑设置在所述主支架上实现，所述转轴水平设置，并且其连线经过所述主支架的中心。

所述的独轮车装置，其中，所述第一马达驱动系统设置包括一第一马达，设置在所述主支架上，并通过一齿轮组将所述第一马达的驱动力传递到一位于所述飞轮外侧且安装在所述主支架上的第一齿轮上；所述轮胎内侧设置所述齿条，用于与所述第一齿轮啮合。

所述的独轮车装置，其中，所述第一齿轮设置在一齿轮杆的中部，所述齿轮杆的一端设置为一与所述齿轮组啮合的第一从动齿轮。

所述的独轮车装置，其中，所述第二马达驱动系统设置包括一第二马达，设置在所述飞轮支架上；所述第二马达连接设置有一第二主动齿轮，用于啮合驱动一与所述飞轮同轴设置的一第二从动齿轮。

所述的独轮车装置，其中，所述第三马达驱动系统设置包括一设置在所述飞轮支架上的舵机，所述舵机设置具有一受控转动所需角度的转柄，所述转柄的端部通过一第一万向节铰接连接一连杆一端，所述连杆的另一端通过一第二万向节铰接连接在所述主支架上，并且其与所述主支架的连接点偏离所述转轴设置。

所述的独轮车装置，其中，在所述主支架的两侧还设置有侧盖结构，并所述侧盖上设置有电源容纳部。

所述的独轮车装置，其中，所述侧盖外侧下方还设置有一支撑凸部，用于保持所述独轮车装置的侧倾角度。

所述的独轮车装置，其中，所述独轮车装置设置为玩具或交通运输工具。

一种实现任一所述独轮车装置的控制实现方法，其中，包括以下步骤：

a、通过对所述第二马达驱动系统的控制，启动所述飞轮的转动；

b、通过对所述第三马达驱动系统的控制，实现对所述飞轮及飞轮支架的左右摆动控制，以实现所述独轮车装置的扶正或转弯控制；

c、通过对所述第一马达驱动系统的控制，实现对所述轮胎的驱动，用于实现对所述独轮车运动的控制。

本发明所提供的一种独轮车装置及其控制方法，由于采用了在主支架上设置的轮胎，以及通过第一马达驱动系统驱动轮胎转动，第二马达驱动系统驱动飞轮装置，第三马达驱动系统驱动飞轮和飞轮支架倾斜摆动，实现了针对独轮车装置的自动平衡控制机构及控制实现方法，可以实现独轮车的自平衡站立及运动控制，为全新的一种自动控制车辆。

附图说明

图1为本发明所述独轮车装置的侧倾示意图。

图2为本发明所述独轮车装置另一角度的侧倾示意图。

图3为本发明所述独轮车装置的自平衡站立时的示意图。

图4为本发明所述独轮车装置沿轮胎正中剖切后的剖视示意图。

图5为本发明所述独轮车装置的中心飞轮部件示意图。

图6为本发明所述独轮车装置的中心飞轮部件立体示意图。

图7为本发明所述独轮车装置的外轮胎示意图。

图8为本发明所述独轮车装置的飞轮正视示意图。

图9为本发明所述独轮车装置的飞轮正中剖切后的剖视示意图。

图10为本发明所述独轮车装置的整体沿轮胎垂直面剖切后的剖视示意图。

图11为本发明所述独轮车装置的控制流程示意图。

图12为本发明所述独轮车装置的主支架示意图。

图13为本发明所述独轮车装置的主支架另一侧向摆动时的示意图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明所提供的一种独轮车装置的较佳实施例，如图1、图2和图3所示的，是在车辆左右侧倾倒地以及自平衡站立时的示意图，其包括一沿主支架外侧设置，用于与地面接触驱动的一轮胎110，在该轮胎110的内侧圆周设置有一齿条111，但在另外的实施例中，还可以设置采用其他的驱动结构方式，例如可以将齿条设置在轮胎的两侧边中的一侧或两侧同时设置，并不局限于所述轮胎的正内侧圆周。所述轮胎110通常采用塑胶或橡胶材质，并在轮胎内侧可以设置有一轮胎支架112，如图7所示，在所述轮胎支架112内侧圆周上设置所述齿条111。

在所述轮胎110的内侧中空空间内设置有一主支架113，用来承载一飞轮支架131和飞轮132，所述主支架113与所述轮胎110相对框架设置，也即是说所述轮胎110除了设置相对所述主支架113可转动之外，所述主支架113本身并不可以左右摆动。为方便控制，所述主支架113上的部件设置以轮胎110的胎面中线为界，尽可能保持左右对称布局，所述轮胎110沿所述主支架113上可以从外周侧转动；如此同时，在所述主支架113上设置的各部件保持其重心较低，低于整个轮胎转动中心的位置，必要的话须要增加配重块，以便使得轮胎在驱动过程中不至于向轮胎转动的相反方向反转，以保证轮胎的转动驱动最终可以转化为整个独轮车的前进动力。

本发明以轮胎转动轴所在水平面与轮胎圆周的交点为飞轮左右摆动的转轴，而飞轮的转动轴与轮胎的转动轴在飞轮不摆动时是重合的，在飞轮摆动时转动轴会形成一定的夹角，但飞轮圆心与轮胎圆心重合，由此才能更为有效地利用陀螺效应，下文会详细说明本发明所述独轮车装置的结构示例及控制实现方法。

对应所述齿条111还设置有一第一马达驱动系统120，如图4、图5和图6、图12和图13所示，所述第一马达驱动系统120设置在主支架113上，较好的是，设置在主支架113的较低重心位置，并上设置通过一齿轮组121进行变速和传动，在所述主支架113上外侧，在所述轮胎110的内侧，对应啮合驱动所述齿条111的位置，设置了一第一齿轮122，用来与所述齿条111进行啮合。所述第一齿轮122设置在主支架上，并同轴固定或一体设置有一传动的被动齿轮123，与所述齿轮组121进行传动连接。在可以想到的方案中，所述齿轮组121及所述被动齿轮123可以设置采用其他方式的传动机构，例如皮带轮组等，在此不再赘述。

所述第一马达驱动系统120通过第一齿轮122可以实现对外侧轮胎110的驱动，从而实现对整个独轮车前进方向的驱动。

本发明所述较佳实施例中，所述主支架113上还设置有所述飞轮支架131和飞轮132，所述飞轮132设置在不摆动的情况下与所述轮胎110为同心设置，并相对所述飞轮支架131可在外侧转动。所述飞轮132根据需要可以设置为具有一定的重量，以便能够匹配整个独轮车装置的驱动能力。所述飞轮132可以设置具有一轮辐133，如图8和图9所示，例如可以采用一连续的片件或辐条结构，并在轮轴位置设置为所述第二马达驱动系统130驱动连接的一第二从动齿轮134，与飞轮132同轴固定设置，并在所述飞轮支架131上设置一第二马达135，连接驱动一第二主动齿轮136，通过对所述第二从动齿轮134的啮合驱动，实现了对所述飞轮132的转动驱动。

所述飞轮132设置在所述独轮车装置主支架113内腔体内，可以通过飞轮132的高速转动产生轴向稳定性，以保证所述独轮车的独立站立功能。以下通过第三马达驱动系统的工作原理说明本发明独轮车装置的自平衡站立及转弯的功能。

在所述飞轮支架131上还设置有一第三马达驱动系统140，如图5和图6所示，用于驱动所述飞轮及飞轮支架左右摆动。所述飞轮支架131上设置有一用于左右摆动的转轴137，铰接在主支架113上，设置在所述轮胎110的前进方向水平设置，并可转动地设置在所述主支架113上，转轴设置具有两个与主支架连接的转轴点，在轮胎前进方向上水平设置，并且连线经过所述主支架113的中心，也即所述飞轮132的转动中心。

在整个独轮车装置的前后移动方向上移动，即不涉及转弯动作时，所述飞轮132保持与所述轮胎110同样的竖直平面位置，所述飞轮132的高速转动只起到稳定平衡作用，使得独轮车装置可以自平衡保持站立状态，不会左右倾斜。而当所述独轮车装置需要左右转弯时，也包括在初始状态如图1和图2的倾倒在地状态，需要转入站立状态时，就需要通过飞轮132的转动平衡转轴方向与轮胎的转轴方向不一致，才能驱使整个独轮车装置改变其站立姿态。

该平衡调整的工作原理是，当所述飞轮132保持高速转动状态时，由陀螺效应可以知道，在飞轮132转动的转轴方向具有稳定作用，因此当使用第三马达驱动系统调整飞轮的左或右摆动时，就相当于用力推动具有稳态的飞轮132的转轴轴向方向，因此，必然产生反作用力于相对的结构，例如在飞轮支架和主支架之间，而主支架113承载了整个所述独轮车装置的主体结构，由此，就会产生对所述独轮车装置整体的扶正作用或转弯所需要的整体装置与地面之间之倾斜角度。

具体的实施例中，所述第三马达驱动系统140需要在所述飞轮支架和所述主支架之间形成推拉动作。如图5和图6所示的，本发明所述较佳实施例中采用了设置在所述飞轮支架131上的一舵机装置，具体地包括一舵机马达141，并通过对所述舵机马达141的驱动控制设置有一受控转动所需角度的转柄142。现有技术的实现方案中，舵机本身具有控制单元，可以通过遥控信号驱动其向左或向右摆动，只要在最大幅度内都可以实现舵角的控制，舵机通常应用于船舶的自动舵控制系统中。

所述转柄142的另一端通过一第一万向节143与一连杆144一端铰接，如图5和图6所示，所述连杆144的另一端通过一第二万向节145铰接在主支架113上，并且所述连杆144与所述主支架113的铰接点偏离所述转轴137设置，这样就可以通过对所述舵机转柄142的转动控制，实现在主支架和飞轮支架之间的摆动驱动。

如图6所示的转柄142位置为大致处于平衡状态，也即是此时所述飞轮的转动面与所述轮胎的转动面重合，所述独轮车装置处于稳定直线运动状态。此时，转柄142处于与所述连杆144大致垂直的位置，可定义为初始位置。

如图13所示，当所述转柄142向下摆动时（摆动幅度根据控制的需要只能在最大幅度之内），转柄142转轴位置（也即所述舵机马达141所在位置，即飞轮支架上）与连杆144的第二万向节145之间的距离就被撑大，此时，由于采用了第一万向节143和第二万向节145，就可以消解因为飞轮支架131向一侧摆动时形成的位移行程，最终形成所述飞轮及飞轮支架上侧向右下侧向左，绕转轴137摆动的动作，而且摆动幅度受舵机马达141的驱动可控制。

如图12所示，当需要所述飞轮及飞轮马达向相反的方向一侧摆动时，则控制舵机马达141向相反方向摆动所述转柄142，并按照摆动幅度控制摆动角度，此时，所述转柄142的转轴位置和所述连杆144连接的第二万向节145之间的距离被缩小，而由于采用第一万向节143和第二万向节145消除了扭转所需要的角度和位移，就可以保证所述飞轮支架131及飞轮132向相反的方向摆动。

图5和图6中所示省略去除了部分主支架结构以及外部其他结构，在本发明的另一较佳实施例中，在所述主支架113的外侧两侧还设置有侧盖150结构，如图1-图3及图10所示的，所述侧盖150相对于轮胎110对称设置在所述主支架上的两侧位置，并在所述侧盖上设置有电源容纳部151，具体地可以是电池块或电池仓，在作为交通运输工具的独轮车装置中，所述侧盖上还可以设置方便人踩踏踏板结构。

本发明所述独轮车装置较佳实施例中，在所述侧盖外侧下方还设置有一支撑凸部160，如图1和图2所示，以方便保持所述独轮车装置的侧倾角度，例如所述独轮车装置静止时倒地侧倾的角度不能太大，较好的是轮胎胎面中线所在平面与地面所成角度不要小于45度，要确保外侧轮胎110始终能够与地面保持接触，否则所述飞轮132的扶起动作就很困难。此外，该支撑凸部160还具有缓冲独轮车装置摔倒时侧倾触地的作用，以减小对所述独轮车装置的侧摔损害。以及在轮胎110启动开始转动时，所述支撑凸部160要保持与地面的摩擦阻力，以便与外侧轮胎转动的作用力形成反作用力，同时配合所述飞轮及飞轮支架的摇摆扶正动作，就可以让所述独轮车装置自动在地面上从侧倾静止状态转为站立运动状态。

本发明所述独轮车装置的较佳实施例中，可以设置为一种遥控玩具，例如设置启动按键（第一个或组按键），通过飞轮的高速旋转自扶正，但由于轮胎完全静止的状态下，动量平衡很难保证，因此，同步可以控制轮胎的前进和后退（第二个或组按键），利用轮胎转动与飞轮的螺旋稳定共同起到平衡作用。在轮胎的驱动移动过程中，可以设置第三个或组按键，用来控制拐弯，其实际的工作过程是所述飞轮受第三马达驱动系统的控制进行向左或向右的摆动，相应调控所述轮胎及主支架的侧倾方向及角度，从而在同时驱动轮滚动时完成向左或向右的转弯动作。本发明所述主支架与轮胎之间是相对的驱动作用，为起到足够的驱动动力，在所述主支架上设置各部件时，包括所述飞轮支架、飞轮、第一马达驱动系统、第二马达驱动系统和第三马达驱动系统，以及侧盖等时，整体的内部重心要低于轮胎滚动的转轴中心，这样才能保证所述轮胎与地面的摩擦力能够驱动整个独轮车前进，而不是主支架相对轮胎做反向转动。

本发明所述独轮车装置的另一较佳实施例中，还可以设置为一交通运输工具，与玩具装置的不同之处在于，所有各部件相应比例放大，并采用更为坚固的材质制造，以便能够形成一定的承载作用，例如可以作为载货平台实现自动化的运载功能，充分利用独轮车的较强通过性。

本发明还提供了一种实现所述独轮车装置的控制实现方法，如图11所示的，在遥控装置开机后进行对码操作，并遥控装置及被控制的独轮车装置上设置显示提示灯和/或语音提示“连接已成功”，如果是对码成功则led灯长亮，否则显示为呼吸式频闪。在对码成功后可以通过遥控手柄实现对独轮车装置的控制。对其中的元器件描述:

tx（遥控器）：on-off开关1个rx（独轮车）：on-off开关1个

扳机vr11个motor1个（陀螺仪马达：平衡，即第二马达驱动系统）

旋钮vr21个motor2个（主支架马达：行使，即第一马达驱动系统）

led蓝色指示灯1个，舵机1个（方向控制，即第三马达驱动系统）

遥控器由3节aa电池供电独轮车装置由6节aaa电池供电

轻触开关（微调左右）

具体操控包括以下步骤：

a、在所述独轮车装置的主体启动后，通过对所述第二马达驱动系统的控制，启动所述飞轮的转动，也就是陀螺稳定工作。然后通过主控电路板对主支架的第一马达驱动系统进行姿态检测和控制，即主控电路板pcb向第一马达驱动系统发送控制指令，由第一马达驱动系统反馈前倾数据给姿态检测pcb，然后传输回给第一马达驱动系统的马达进行限速。

b、通过对所述第三马达驱动系统的控制，实现对所述飞轮及飞轮支架的左右摆动控制，以实现所述独轮车装置的扶正或转弯控制；具体地，可以由遥控器上的扳机或旋钮控制，控制舵机的摆动方向和摆动角度。

c、通过对所述第一马达驱动系统的控制，实现对所述轮胎的转动驱动，用于实现对所述独轮车装置运动的控制；具体地，通过遥控控制所述轮胎的前向转动或后向转动，就可以实现对所述独轮车装置前进方向控制。

本发明所述步骤b和步骤c可以对换顺序执行，当所述独轮车装置从停止在地面启动时，就采用先执行步骤b的方式，调控整个独轮车装置的自平衡站立，然后再通过步骤c实现前进和后退。而如果所述独轮车装置已经在运动过程中，则将是在步骤c的前后运动控制过程后，再执行步骤b的左右摆动以实现对所述独轮车装置转弯的控制。如图11中所示，在每一控制位置上的控制曲线由箭头指向相应位置，为本发明控制实现方法的具体实施例，并非对本发明保护范围的限制。

本发明所提供的一种独轮车装置及其控制实现方法，通过在所述主支架上设置的多个马达驱动系统控制，实现了自动平衡的独轮车装置及其控制实现方法，可以实现一种新颖的自平衡玩具，并可以应用到工业自动交通运输领域，实现一种方便运行的交通运输工具车辆。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。