通用型子母式自行车动力改装套件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电动车技术领域，具体涉及一种通用型子母式自行车动力改装套件，包括连接支架和独轮平衡车，独轮平衡车通过连接支架连接自行车前叉，独轮平衡车包括护板，护板围设在轮毂周边，护板两侧对称设置踏板，护板对应连接支架设置插槽，插槽内设有感应件，轮毂中心转轴连接电机转轴，蓄电池为电机供电，电机通过电机驱动器连接至控制器，控制器同时连接感应件、加速度检测件和速度检测件；本发明还涉及一种包括上述套件的子母式自行车及子母式自行车的控制方法，可通过独立平衡车对自行车实现助力或制动。本发明既能够实现高速、长距离电动车骑行，又能够实现独轮平衡车的单独使用，灵活性高，实现了一车三用和无缝化城市通行。
【专利说明】
通用型子母式自行车动力改装套件
技术领域
[0001] 本发明涉及电动车技术领域，具体涉及一种通用型子母式自行车动力改装套件。
【背景技术】
[0002] 独轮平衡车是新兴的娱乐型代步工具，因其靓丽的外形和灵活的行进方式受到年 轻人喜爱。然而独轮平衡车仅适用于低速、短途(行程<l〇km)行进，无法像传统电动自行车 一样进行高速长距离行进，因此普及率不高。然而传统电动车的不足在于其体型庞大，无法 进出公共场所(商场、步行街、地铁等)或随身停放。自行车又有骑行易疲劳，速度慢等缺点。
[0003] 现有常见的自行车改装电动车的方式有三种：
[0004] 第一种，将无刷电机安装到后轮上替换原有的后花鼓，用户需要自行寻找空间安 装电池、控制器等部件，同时需要在车把上安装断电刹把、调速手把等。该方法安装复杂，由 于电机较粗，需要拆下原有辐条并购买较短辐条重新编条，还需对后轮的链条、变速器、碟 刹进行相应调整。辐条编制复杂且需要专业工具，普通人难以完成改装；
[0005] 第二种，安装自行车中置电机，同时需要在车把上安装断电刹把、调速手把等。用 户需要自行寻找空间安装电池、控制器等部件。中置电机安装更为复杂，需要拆下原有中 轴，并需安装新的牙盘，需要专业工具；
[0006] 第三种，利用小型电机接触摩擦式驱动轮胎，类似的国内产品有易吧，国外的有 Rubbee等。该套件包含一个置于自行车尾部上方的装置，装置内含电池和电机，电机带动一 个小的橡胶摩擦轮，橡胶轮通过摩擦方式实现将动力输出到后轮上。由于轮胎上有花纹，摩 擦轮在传动过程中会产生震动并传递到车座，使人产生不适，影响骑行体验，也有通过电机 直接驱动轮胎的钢圈，避免了橡胶轮与轮胎的摩擦，但是需要高强度的齿轮组，以及特殊指 定的轮胎，造价极高。这类方式传动效率低，摩擦的方式决定了传动过程中必定有损耗。
【发明内容】
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于:提供一种通用型子母式自行车动力改 装套件，既能够实现高速、长距离电动车骑行，又能够实现独轮平衡车的单独使用，灵活性 高，实现了一车三用和无缝化城市通行。
[0008] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
[0009] 所述通用型子母式自行车动力改装套件，包括连接支架和独轮平衡车，所述独轮 平衡车通过连接支架连接自行车前叉，独轮平衡车包括护板、轮毂、电机、踏板和控制器，所 述护板围设在轮毂周边，护板两侧对称设置踏板，护板对应连接支架设置插槽，插槽内设有 感应件，轮毂中心转轴连接电机转轴，蓄电池为电机供电，电机通过电机驱动器连接至控制 器，控制器同时连接感应件、加速度检测件和速度检测件。
[0010] 使用时，首先将原有自行车前轮拆下，安装套件中的连接支架，连接支架只需一次 安装与自行车前叉固定，然后将连接支架通过插槽插入到独轮平衡车内，组合成为一体。连 接支架与自行车前叉连接的一端设有卡槽，自行车前叉插入卡槽内并通过螺栓固定。为方 便控制，独轮平衡车设置开关，骑行时，若开关打开，独轮平衡车输出动力，可作为电动车行 驶;若开关关断，独轮平衡车不输出动力，车辆即作为普通自行车正常骑行;控制器通过速 度检测件和加速度检测件分别检测车子当前车速和轮毂前进方向的加速度α，速度检测件 可采用霍尔元件，加速度检测件可同时采用电子陀螺仪和加速度传感器，控制器通过感知 自行车的加速度判断人的骑行状态，若为明显的加速状态，独轮平衡车可加速为自行车提 供动力实现助力;若为减速则进行反向制动。独轮平衡车与连接支架分离后，利用其内置的 独立电池以及控制器，实现分段式行进，大大扩展了车辆的适用范围，独轮平衡车除了护板 与连接支架连接的部分，其余结构与现有的独轮平衡车相同。
[0011]其中，优选方案为：
[0012]所述护板上对应独轮平衡车固定拉杆，拉杆末端设置行走轮，独轮平衡车独立使 用时，可通过拉杆和行走轮实现拖行，方便在人口密集区和公共交通场所携带，拉杆设为伸 缩结构。
[0013] 所述拉杆设为伸缩结构，插槽和拉杆的对立面上分别对应设置定位孔，两定位孔 之间设置定位柱，定位柱包括伸缩杆，伸缩杆外部套设伸缩弹簧，伸缩杆两端分别固定连接 定位销，定位销端部设为锥形，连接支架对应定位销至少设置一个销孔，为适应不同高度的 自行车前叉，可设置多个销孔。其中，自行车前叉与独轮平衡车组合步骤为:第一，拉出拉 杆，一只手扶住拉杆，使独轮平衡车保持直立，定位销在伸缩弹簧的作用下，被弹出销孔;第 二，另一只手握住自行车车把，向上抬起自行车前叉，将连接支架对准独轮平衡车上的插 槽，然后插入;第三，压回拉杆，拉杆下部的斜面将定位销向插槽方向回压，伸缩弹簧被压 缩，定位销通过定位孔插入连接支架的销孔，使独轮平衡车和连接支架锁定。插槽中可放置 不同高度的垫片，以调整连接支架插入插槽的深度，从而调整整个前轮系统的高度来适应 不同轮径的车。自行车前叉与独轮平衡车分离时，只需拉出拉杆，向上提起车把即可。
[0014] 所述连接支架上固定扩展电池，扩展电池与连接支架可采用卡接方式进行固定， 为独轮平衡车提供额外的电力，实现增加续航或增加动力的目的。独轮平衡车顶部护板对 应扩展电池可设置扩展接口，扩展电池对应扩展接口设置插头，插头连接到独轮平衡车顶 部的扩展接口为车子供电，同时该扩展接口可同时作为充电接口进行蓄电池充电。
[0015] 所述护板上设置容置仓，容置仓内固定控制器、蓄电池、加速度检测件和速度检测 件，为方便独轮平衡车的控制，可为其设置遥控器，遥控器也放置在容置仓内。
[0016] 本发明还提供一种包括上述通用型子母式自行车动力改装套件的子母式自行车， 自行车车架、后轮等结构不进行改进。
[0017] 本发明还提供一种通用型子母式自行车的控制方法，包括以下步骤：
[0018] 第一步，控制器通过检测感应件状态判断独轮平衡车当前工作模式，连接支架插 入护板内插槽，车子处于电动车模式，如果连接支架未插入护板内插槽，车子处于自平衡模 式;控制器通过速度检测件和加速度检测件分别检测车子当前车速和轮毂前进方向的加速 度α，采用滤波去除当前车速V和加速度α的扰动，分别获得当前车速 ￥和加速度α的时序变化 曲线；
[0019] 第二步，如果车子处于电动车模式，根据车子加速度α将车子分为三种状态，分别 是正常行驶状态、减速状态和紧急制动状态，正常行驶状态和减速状态下为车子设置一个 期望速度V，控制器通过调整电机PWM功率输出，将当前车速V向期望速度V转化，转化公式 为：
[0020]
[0021] 其中，t表示当前时刻，pt表示当前时刻电机功率，pt+1表示t+1时刻电机功率，紧急 制动状态下，直接设置期望速度V = O;控制器对电机反向通电进行辅助制动，电机反向运行 功率可以是恒定的，也可以与当前车速V成比例递减。
[0022] 如果车子处于自平衡模式，启用独轮平衡车独立工作，独轮平衡车独立工作时与 现有独轮平衡车无异，控制器对独轮平衡车的控制方式与现有独轮平衡车相同。
[0023] 为保证速度检测件和加速度检测件的检测准确度，可采用卡尔曼滤波、η阶滤波等 方式去除当前车速和加速度的扰动，以获得平滑的当前车速V和加速度α的时序变化曲线。
[0024] 在电动车模式下，期望速度V确定方式如下：
[0025]定义加速度a>Xm/s2,车子为正常行驶状态;加速度Y m/s2〈 = a〈X m/s2,车子处于 普通减速状态;a〈 = Y m/s2,车子处于紧急制动状态，其中，X和Y为预设值，均小于零；
[0026]正常行驶状态下，预设期望速度V，车子起步时，加速度a> = 〇,当前车速v = 〇,计算 X秒内车子的平均速度v_avg，iv_avg>V时，更新V = v_avg，iv_avg〈V时，期望速度V保持不 变，正常行驶状态下V只能升高或保持，车子电机尝试进行匀速巡航；
[0027] 减速状态下，用户进行轻度刹车，此时开始对α进行积分，令V = ν+α Δ t，其中，V表 示当前时刻车速，V表示期望速度，At表示刹车时长。
[0028] 紧急制动状态下，用户紧急刹车，此时直接设置期望速度V = O;控制器对电机反向 通电进行辅助制动
[0029] 起步时，骑行者需要通过脚踏板将车辆加速到一定程度，车辆开始保持平稳运行； 在下坡时，车辆会逐渐加速，可通过刹车控制;在上坡时，用户蹬车，车辆自身也会尝试加大 功率维持当前速度，这与用户骑行自行车时的操作相同，用户不会产生明显的异常感。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]本发明既能够实现高速、长距离电动车骑行，又能够实现独轮平衡车的单独使用， 灵活性高，实现了一车三用和无缝化城市通行。使用时，首先将原有自行车前轮拆下，安装 套件中的连接支架，连接支架只需一次安装与自行车前叉固定，然后将连接支架通过插槽 插入到独轮平衡车内，组合成为一体。骑行时，独轮平衡车输出动力，可作为电动车行驶;独 轮车不输出动力，可作为普通自行车正常骑行;控制器通过速度检测件和加速度检测件分 别检测车子当前车速和轮毂前进方向的加速度α，控制器通过感知自行车的加速度判断人 的骑行状态，若为明显的加速状态，独轮平衡车可加速为自行车提供动力实现助力;若为减 速则进行反向制动。独轮平衡车与连接支架分离后，利用其内置的独立电池以及控制器，实 现分段式行进，大大扩展了车辆的适用范围。
【附图说明】
[0032]图1是实施例1整体结构示意图。
[0033] 图2是实施例1独轮平衡车细节图。
[0034] 图3是实施例1前叉与连接支架连接结构示意图。
[0035] 图4是实施例1拉杆、定位柱及连接支架结构示意图。
[0036] 图中：1、连接支架;2、自行车前叉;3、护板;4、轮毂;5、容置仓;6、踏板;7、插槽;8、 扩展接口； 9、拉杆；10、行走轮；11、伸缩杆；12、伸缩弹簧；13、定位销；14、销孔；15、扩展电 池。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
[0038] 实施例1:
[0039] 如图1-3所示，本实施例所述通用型子母式自行车动力改装套件，包括连接支架1 和独轮平衡车，所述独轮平衡车通过连接支架1连接自行车前叉2，独轮平衡车包括护板3、 轮毂4、电机、踏板6和控制器，所述护板3围设在轮毂4周边，护板3两侧对称设置踏板6,护板 3对应连接支架1设置插槽7，插槽7内设有感应件，轮毂4中心转轴连接电机转轴，蓄电池为 电机供电，电机通过电机驱动器连接至控制器，控制器同时连接感应件、加速度检测件和速 度检测件。
[0040] 其中，护板3上对应独轮平衡车固定拉杆9，拉杆9末端设置行走轮10，独轮平衡车 独立使用时，可通过拉杆9和行走轮10实现拖行，方便在人口密集区和公共交通场所携带， 拉杆9设为伸缩结构。
[0041] 所述拉杆9设为伸缩结构，插槽7和拉杆9的对立面上分别对应设置定位孔，两定位 孔之间设置定位柱，定位柱包括伸缩杆11，伸缩杆11外部套设伸缩弹簧12，伸缩杆11两端分 别固定连接定位销13,定位销13端部设为锥形，连接支架1对应定位销13至少设置一个销孔 14,为适应不同高度的自行车前叉2,可设置多个销孔14。如图4所示，自行车前叉2与独轮平 衡车组合步骤为:第一，拉出拉杆9,一只手扶住拉杆9,使独轮平衡车保持直立，定位销13在 伸缩弹簧12的作用下，被弹出销孔14;第二，另一只手握住自行车车把，向上抬起自行车前 叉2,将连接支架1对准独轮平衡车上的插槽7,然后插入;第三，压回拉杆9,拉杆9下部的斜 面将定位销13向插槽7方向回压，伸缩弹簧12被压缩，定位销13通过定位孔插入连接支架1 的销孔14,使独轮平衡车和连接支架1锁定。插槽7中可放置不同高度的垫片，以调整连接支 架1插入插槽7的深度，从而调整整个前轮系统的高度来适应不同轮径的车。自行车前叉2与 独轮平衡车分离时，只需拉出拉杆9,向上提起车把即可。
[0042]连接支架1上固定扩展电池15,扩展电池15与连接支架1可采用卡接方式进行固 定，独轮平衡车顶部护板3对应扩展电池15可设置扩展接口 8，扩展电池15对应扩展接口 8设 置插头，插头连接到独轮平衡车顶部的扩展接口8为车子供电，同时该扩展接口8可同时作 为充电接口进行蓄电池充电。
[0043] 护板3上设置容置仓5，容置仓5内固定控制器、蓄电池、加速度检测件和速度检测 件，为方便独轮平衡车的控制，可为其设置遥控器，遥控器也放置在容置仓5内。
[0044] 使用时，首先将原有自行车前轮拆下，安装套件中的连接支架1，连接支架1只需一 次安装与自行车前叉2固定，然后将连接支架1通过插槽7插入到独轮平衡车内，组合成为一 体。连接支架1与自行车前叉2连接的一端设有卡槽，自行车前叉2插入卡槽内并通过螺栓固 定。与现有独轮平衡车结构相同，护板3设置开关，骑行时，若开关开启，独轮平衡车输出动 力，可作为电动车行驶;若开关关断，独轮车不输出动力，可作为普通自行车正常骑行;控制 器通过速度检测件和加速度检测件分别检测车子当前车速和轮毂4前进方向的加速度α，速 度检测件可采用霍尔元件，加速度检测件可同时采用加速度传感器和电子陀螺仪，控制器 通过感知自行车的加速度判断人的骑行状态，若为明显的加速状态，独轮平衡车可加速为 自行车提供动力实现助力;若为减速则进行反向制动。独轮平衡车与连接支架1分离后，利 用其内置的独立电池以及控制器，实现分段式行进，大大扩展了车辆的适用范围。
[0045] 实施例2:
[0046] 本实施例在实施例的基础上提供了一种包含实施例1所述通用型子母式自行车动 力改装套件的子母式自行车，自行车车架、后轮等结构不进行改进。举例说明该子母式自行 车使用方法：
[0047] 使用者出门时，骑行该子母式自行车到达地铁站，停好自行车，通过拉开拉杆9，分 离连接支架1和护板3,自行车前叉2可通过一支架支撑固定，防止自行车倒地，使用者通过 拉杆9拉动独轮平衡车，换乘地铁，地铁到站后，开启独轮平衡车的自平衡模式独立使用，去 往目的地，实现自行车的分段式使用，方便灵活。
[0048] 实施例3:
[0049] 本实施例在实施例2的基础上提供一种通用型子母式自行车的控制方法，包括以 下步骤：
[0050] 第一步，控制器通过检测感应件状态判断独轮平衡车当前工作模式，连接支架1插 入护板3内插槽7,车子处于电动车模式，如果连接支架1未插入护板3内插槽7,车子处于自 平衡模式;控制器通过速度检测件和加速度检测件分别检测车子当前车速和轮毂4前进方 向的加速度α，采用滤波去除当前车速V和加速度α的扰动，分别获得当前车速V和加速度α的 时序变化曲线；
[0051 ]第二步，如果车子处于电动车模式，根据车子加速度α将车子分为三种状态，分别 是正常行驶状态、减速状态和紧急制动状态，正常行驶状态和减速状态下为车子设置一个 期望速度V，控制器通过调整电机PWM功率输出，将当前车速V向期望速度V转化，转化公式 为：
[0052]
[0053] 其中，t表示当前时刻，pt表示当前时刻电机功率，pt+1表示t+Ι时刻电机功率，紧急 制动状态下，直接设置期望速度V = O;控制器对电机反向通电进行辅助制动，电机反向运行 功率可以是恒定的，也可以与当前车速V成比例递减。
[0054]如果车子处于自平衡模式，启用独轮平衡车独立工作，独轮平衡车独立工作时与 现有独轮平衡车无异，控制器对独轮平衡车的控制方式与现有独轮平衡车相同。
[0055] 为保证速度检测件和加速度检测件的检测准确度，可采用卡尔曼滤波、η阶滤波等 方式去除当前车速V和加速度α的扰动，以获得平滑的当前车速 ￥和加速度α的时序变化曲 线。
[0056] 所述在电动车模式下，期望速度V确定方式如下：
[0057]定义加速度a>Xm/s2,车子为正常行驶状态;加速度Y m/s2〈 = a〈X m/s2,车子处于 普通减速状态;a〈 = Y m/s2,车子处于紧急制动状态，其中，X和Y为预设值，均小于零，本实 施例中X取-0.2，Y取-2，实际使用过程中可根据行驶路况设置X和Y的取值；
[0058]正常行驶状态下，预设期望速度V，车子起步时，加速度a> = 0,当前车速v = 0,计算 X秒内车子的平均速度V_avg，iv_avg>V时，更新V = v_avg，iv_avg〈V时，期望速度V保持不 变，正常行驶状态下V只能升高或保持，车子电机尝试进行匀速巡航；
[0059]减速状态下，用户进行轻度刹车，此时开始对α进行积分，令V = ν+α △ t，其中，V表 示当前时刻车速，V表示期望速度，At表示刹车时长。
【主权项】
1. 一种通用型子母式自行车动力改装套件，其特征在于，包括连接支架（1)和独轮平衡 车，所述独轮平衡车通过连接支架（1)连接自行车前叉(2)，独轮平衡车包括护板(3)、轮毂 (4)、电机、踏板(6)和控制器，所述护板(3)围设在轮毂(4)周边，护板(3)两侧对称设置踏板 (6)，护板(3)对应连接支架（1)设置插槽(7)，插槽(7)内设有感应件，轮毂(4)中心转轴连接 电机转轴，蓄电池为电机供电，电机通过电机驱动器连接至控制器，控制器同时连接感应 件、加速度检测件和速度检测件。2. 根据权利要求1所述的通用型子母式自行车动力改装套件，其特征在于，所述护板 (3)上对应独轮平衡车固定拉杆(9)，拉杆(9)末端设置行走轮(10)。3. 根据权利要求2所述的通用型子母式自行车动力改装套件，其特征在于，所述拉杆 (9)设为伸缩结构，插槽(7)和拉杆(9)的对立面上分别对应设置定位孔，两定位孔之间设置 定位柱，定位柱包括伸缩杆（11)，伸缩杆（11)外部套设伸缩弹簧(12)，伸缩杆(11)两端分别 固定连接定位销（13)，定位销（13)端部设为锥形，连接支架(1)对应定位销（13)至少设置一 个销孔(14)。4. 根据权利要求1所述的通用型子母式自行车动力改装套件，其特征在于，所述连接支 架（1)上固定扩展电池（15)。5. 根据权利要求1所述的通用型子母式自行车动力改装套件，其特征在于，所述护板 (3) 上设置容置仓(5)，容置仓(5)内固定控制器、蓄电池、加速度检测件和速度检测件。6. -种通用型子母式自行车，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的通用型子母 式自行车动力改装套件。7. -种如权利要求6所述的通用型子母式自行车的控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 第一步，控制器通过检测感应件状态判断独轮平衡车当前工作模式，连接支架（1)插入 护板(3)内插槽(7)，车子处于电动车模式，如果连接支架（1)未插入护板(3)内插槽(7)，车 子处于自平衡模式;控制器通过速度检测件和加速度检测件分别检测车子当前车速和轮毂 (4) 前进方向的加速度a，采用滤波去除当前车速v和加速度a的扰动，分别获得当前车速v和 加速度a的时序变化曲线； 第二步，如果车子处于电动车模式，根据车子加速度a将车子分为三种状态，分别是正 常行驶状态、减速状态和紧急制动状态，正常行驶状态和减速状态下为车子设置一个期望 速度V，控制器通过调整电机PWM功率输出，将当前车速v向期望速度V转化，转化公式为：其中，t表示当前时刻，pt表示当前时刻电机功率，pt+1表示t+1时刻电机功率，紧急制动 状态下，直接设置期望速度V = 0;控制器对电机反向通电进行辅助制动； 如果车子处于自平衡模式，启用独轮平衡车独立工作。8. 根据权利要求7所述的通用型子母式自行车的控制方法，其特征在于，在电动车模式 下，期望速度V确定方式如下： 定义加速度a>Xm/s2,车子为正常行驶状态;加速度Y m/s2〈 = a〈X m/s2,车子处于普通 减速状态;a〈 = Y m/s2，车子处于紧急制动状态，其中，X和Y为预设值，均小于零； 正常行驶状态下，预设期望速度V，车子起步时，加速度a> = 0，当前车速v = 0，计算x秒 内车子的平均速度v_avg，iv_avg>V时，更新V = v_avg，iv_avg〈V时，期望速度V保持不变， 正常行驶状态下V只能升高或保持，车子电机尝试进行匀速巡航； 减速状态下，用户进行轻度刹车，此时开始对a进行积分，令V = v+a At，其中，v表示当 前时刻车速，V表示期望速度，△ t表示刹车时长。
【文档编号】B62K1/00GK106043528SQ201610496853
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】季节, 孔凡震, 陈晨, 王 琦, 李振美, 姜涛, 朱相桢, 徐祥涛
【申请人】济宁学院