自平衡电动车的制作方法

本申请案基于美国专利法35 U.S.C第119(e)主张申请号为62/241,772(2015年10月15日提交)，62/246,615(2015年10月 27日提交)，62/258,230(2015年11月20日提交)，及62/288,460 (2016年1月29日提交)的美国临时专利申请的优先权权利，上述申请的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本实用新型涉及电动车技术领域，尤其涉及一种自平衡电动车。

背景技术：

在过去几年中，双轮、前向、自平衡电动车(通常被称为“悬浮板”)的普及已经显著增长。许多公司已经进入了悬浮板市场，只是设计略有不同。一般来说，用于这些车辆的平衡和转向控制系统已经遭遇了各种问题，例如安全性和可靠性问题，包括大量移动部件，相关的制造复杂性和费用，以及缺乏骑乘特性的可定制性。这就对用于电动车上更简单和更可靠的控制系统提出了需求。

技术实现要素：

根据本申请公开的两轮自平衡电动车辆通过使用一个或多个应变仪系统来检测刚性骑乘者平台上的乘客诱导的应变来克服上述问题。

本申请中公开所提供的系统，装置，和方法是关于自平衡车辆。在一些实施例中，自平衡电动车可包括：定义一长轴的平台，第一脚部放置部分，与第一脚部放置部分刚性连接的第二脚部放置部分；第一车轮设置在邻近所述平台的第一横向端及第二车轮设置在邻近所述平台的第二横向端，其中所述第一和第二车轮共享平行于所述平台的长轴的公共旋转轴线；平衡位置传感器附接于该平台并且被配置为感测平台的倾斜；第一应变仪，其附接到所述平台并且被配置为感测由施加在所述第一和第二脚部放置部分上的不平衡力引起的所述平台中的扭曲应变；第一驱动马达被配置为驱动第一车轮，并且第二驱动马达被配置为驱动第二车轮，其中驱动马达被配置为响应于平衡位置传感器感测到的平台的倾斜，驱动车轮，以使平台自平衡，并且响应第一应变仪感测到的应变，以差变方式驱动车轮，使车转弯。

在一些实施例中，自平衡电动车可包括：具有第一脚部放置部分和第二脚部放置部分的刚性平台，第二脚部放置部分基本上与第一脚部放置部分刚性连接；第一车轮与第一脚部放置部分关联，并且第二车轮与第二脚部放置部分关联，其中第一和第二车轮间隔开并且基本彼此平衡；第一驱动马达配置为驱动第一车轮，并且第二驱动马达配置为驱动第二车轮；车辆平衡位置传感器与刚性平台耦接；并且应变仪与刚性平台耦接；其中所述驱动马达被配置成响应于来自车辆平衡位置传感器的数据，驱动所述车轮，以使平台自平衡，驱动马达被配置成响应于来自于应变仪的指示所述第一和第二脚部放置部分上的不平衡力的数据而差动地驱动所述车轮以便促使车辆转弯，并且驱动马达被配置为响应于所述第一和第二脚部放置部分上的平衡力而一致地驱动所述车轮以便促使车辆线性移动。

在一些实施例中，自平衡电动车可包括：平台，包括基本上刚性地彼此附接的第一脚部放置部分和第二脚部放置部分；与所述平台的第一横向侧相关联的第一车轮和与所述平台的第二横向侧相关联的第二车轮，其中所述第一车轮和第二车轮间隔开并且共享公共旋转轴，所述公共旋转轴基本上平行于所述平台的长轴；平衡位置传感器，其被配置为感测所述平台绕其长轴的转动；第一应变仪，配置为感测由施加到所述第一脚部放置部分和所述第二脚部放置部分的不平衡力在所述平台中引起的应变；第一驱动马达被配置为驱动所述第一车轮，以及第二驱动马达被配置为驱动所述第二车轮，其中驱动马达被配置为响应平衡位置传感器感测到的平台的转动驱动车轮，以使平台自平衡，并且响应第一应变仪感测到的应变差动的驱动车轮，以使车辆转弯。

特征，功能和优点可以在本申请目前公开的各种实施例中单独地实现，也可以在其他实施例的组合中实现，其进一步的细节可以参考以下描述和附图得出。

附图说明

图1根据本申请的公开示出了具有引发应变的骑乘人检测和转弯控制的两轮自平衡车辆的等距前视立体图。

图2是图1中所示车辆的前视图。

图3是图1中所示车辆的底部平面图。

图4是适用于本文所述的车辆中的示例性的全桥应变仪传感器的平面图。

图5是适用于本文所述的车辆中的示例性的应变仪传感器和放大电路的电路原理图。

图6是描述响应于扭曲应变来控制车辆转向特性的示例性的方法中的步骤的流程图。

图7是描述根据本申请所公开的用于骑乘人检测的示例性方法中的步骤的流程图。

图8是描述根据本申请所公开的示例性的控制系统中的选定组件的框图。

图9是描述用于使用诸如图8所示的控制系统来控制自平衡车辆的电动机的示例性的方法中的步骤的流程图。

图10根据本申请所公开的另一示例性的两轮自平衡车的后倾斜等轴视图。

图11是图10的车辆的俯视图。

图12是图10的车辆的底部平面图。

图13是从车辆的平面上方截取的图10的车辆的前等轴视图。

图14是图10的车辆的后视图。

图15图10的车辆的侧视图。

具体实施方式

具有基于应变的控制的两轮自平衡电动车的各个方面与示例，以及相关方法，都在下面描述及相关附图中说明。除非另有规定，根据本申请所公开的自平衡车和/或其各种部件，可以，但不要求，包含至少一个在本文中描述的、说明的和/或引入的结构、部件、功能和/或变型。此外，除非特别说明，本文中描述的、说明的、和/或在本文中引入的工艺步骤，结构，成分，功能，和/或变化，可能包括在其他类似的设备和方法中的，并在公开的实施例之间可以互换。以下各种例子的描述只是说明性的，并不旨在限制披露其应用或使用。此外，所描述的例子和实施例所描述的优点是说明性的，而不是所有的例子和实施例都提供相同的优点或相同的优势。

定义

下列定义适用于本申请，除非另有说明。

“基本上”的意思是基本上符合特定的尺寸，范围，形状，概念，或其他方面修改的术语，例如，一个功能或组件不需要完全符合。例如，一个“基本上圆柱形”的对象意味着该对象类似于一个圆柱体，但可能有与一个真正的圆柱体之间的一个或多个的偏差。

“包含”“包括”和“具有”(及它们的结合)交替使用是指包括但不限于，并且是开放性的术语，并不排除额外的非引述的元素或方法步骤。

诸如“第一”，“第二”和“第三”的术语用于区分或标识组的各种成员等，或类似的，并且不旨在示出串行或数字限制。

概述

一般来说，根据本申请所公开的两轮自平衡电动车可包括具有刚性乘坐平台的个人交通工具，该刚性乘坐平台在每个横向端部处具有车轮，该平台包括与彼此刚性附接的一对脚放置部分。骑乘人的脚可以以脚趾大致指向行驶方向的方式放置在脚放置部分上。每个脚放置部分可具有相关联的车轮和马达，其中各个马达被控制以驱动车辆趋于自平衡。

包括一个或多个应变仪系统的控制被配置为测量骑乘人引起的力对脚放置部分的影响，赋予骑乘人对偏转(即转向)运动的幅度和方向的精确控制。本文公开了各种实施例，包括具有用于通过检测骑乘人的重量来检测骑乘人的存在的附加应变仪系统的示例。在一些示例中，骑乘人的重量的测量可以用于调节平衡控制的积极性或其他特性。在一些示例中，无线通信连接可以用于定制乘坐体验。

在本文所述的车辆中，骑乘人可以通过在一个脚放置部分上施加脚趾压力并且同时在另一个脚放置部分上施加脚跟压力来命令期望的转动。车辆的转向控制器做出响应，使用应变仪系统来检测由骑乘人在车辆上的差动施加的力所引起的扭转应变。因此，可以使用有效并简单的系统来控制例如具有单个刚性平台(或者刚性连接的一对脚放置部分)的车辆。

在一些示例中，车辆平台的中心区域包括惠斯通全桥应变仪 (或类似物)和相关联的放大器，其被配置为检测由于骑乘人身体位置而引起的施加在车辆上的应力。当骑乘人在所述平台的两侧上的趾部和跟部之间移动重量时，扭转(即扭矩)应力被引入框架中。该扭转应力由应变计系统测量。然后，检测到的扭转/扭矩应力被用于确定如何基于骑乘人预期的转弯的幅度和方向命令车辆转向(偏转)。另外，在一些示例中，具有类似惠斯通全桥应变计的第二系统可以耦合到框架以测量由骑乘人的重量所引起的应力。这个骑乘人检测应变计可以设置在任何合适的位置，例如平台的中心区域(底部或顶部)。

第二系统被配置为测量骑乘人重量，并且相应地检测骑乘人何时存在。如果存在，可以向马达提供电源。如果不存在，则电源安全关闭。骑乘人体重测量还可以用于设置自平衡控制器的比例-积分微分(PID)控制器(也称为PID回路)的主动性。例如，对于轻型骑乘人可以自动地实现更柔软的控制，对于更重的骑乘人可以实现更强的，更积极的控制，由此大大增加了车辆的安全性。

示例，组件和替代

以下部分描述示例性自平衡车以及相关系统和/或方法的所选方面。这些部分中的示例旨在用于说明，并且不应被解释为限制本公开的整个范围。每个部分可以包括一个或多个不同的实施例或示例，和/或上下文或相关信息，功能和/或结构。

第一示例性自平衡车

参考图1-5，该部分描述了包括具有一个或多个应变仪系统的控制器的示例性两轮自平衡车100，以及相关方法。车辆100是上面概述部分中描述的车辆的示例。

图1是车辆100的等距前部斜视图。图2是车辆的前视图。图3是车辆的仰视图。图4是适于在车辆100或其他车辆中使用的示例性全桥应变仪传感器的平面图。图5是适用于车辆100或其他车辆中的说明性应变传感器和放大电路的示意性电路图。

如图1-3所示，车辆100包括具有联接在一起的两个脚部放置区域104，106的固定框架102，每个脚部放置区域具有足够的尺寸以用通常接收脚趾指向行进方向的使用者的脚。每个脚部放置区域可以包括表面胎面以提供牵引力。连在一起，脚部放置区域104和106可以形成细长的，刚性的骑乘或脚部平台。因此，脚部放置区域104和106可以分别称为平台部分。框架102可以包括任何合适的结构，其被配置成使得脚部放置区域104和106以可忽略的弯曲或运动而彼此固定。由于骑乘人的身体取向，框架102的某些区域，例如中心区域108，将由骑乘人引起应力。

电动轮毂组件110和112可操作地连接到框架102的每个侧向端部，以驱动安装有轴118和120的相应的车轮114和116，如图1-3所示。电动轮毂组件110和112可以包括任何合适的轮毂马达，例如本领域已知的典型轮毂马达。例如，驱动装置可以使用无刷直流(即BLDC)轮毂马达122和124与集成轮胎126和128的任何组合。在其他示例中，可以使用单独的车轮和驱动马达(有刷或无刷)，其中功率通过链条或传动装置传递。在一些示例中，无毂车轮可由摩擦驱动马达驱动。

平衡位置传感器130联接(例如安装)到框架102，并且被配置为感测车辆框架的倾斜位置(即车辆平台绕其长轴的旋转)。平衡位置传感器130可以包括组合的微机电系统(MEMS)惯性传感器，例如六轴速率陀螺仪和加速度计。在一些示例中，传感器 130被配置为提供整个框架102的位置(倾斜和惯性移动)的测量。传感器130优选地安装在连接到框架102的电路板132上。传感器130 可以设置在框架上的任何合适的位置。然而，更靠近车辆中心的位置可以减小由车辆运动引起的离心力误差。

可充电电池134和电池保护电路安装到框架102上，为车辆提供电力。电池134可以包括任何合适的电力存储装置，例如锂离子电池。

第一(扭转感测)全桥应变仪136例如以45度角结合到车辆100的框架102上。在图4中示出全桥应变仪的示例。应变仪136可包括支撑一个或多个导电箔锯齿形图案140的柔性绝缘基板138。图案 140的变形改变图案的电阻，其可在引线141处测量。电阻的变化可根据已知方法用于推断引起的应力的大小。

应变仪136可以位于中心区域108处或附近(即在脚部放置区域104和106的交叉处之间或之上)，或者由骑乘人进行的扭转动作引起大部分应变的任何地方。应变仪136被配置为检测由两个脚部放置区域104和106上的不平衡力引起的应变(并且由此而产生的应力)，特别是由骑乘人引起的车辆100上的扭转应变。为了更清楚起见，贯穿本公开所使用的术语“不平衡力”意味着导致扭转应力(即，扭曲应力)的力，并且由此在框架102上产生的扭转应变。正常而言，当一个对象受到不平衡力的作用，必然直接从力的作用而产生加速。然而，为了本公开的目的，术语“不平衡力”仅意味着力导致上述扭转应力；该力不一定直接加速车辆100。应变仪136被配置成检测由两个脚部放置区域上的不平衡力引起的应力，特别是由骑乘人引起的车辆100上的扭转应变。骑乘人可以通过用一只脚的脚趾压下同时用另一只脚的脚跟压下来容易地引起这种应变。将扭转感测应变仪放置在框架102的中心区域108(例如)的顶部 (或底部)上，相对于车辆的长轴(即对角线)成45度角，可以仅测量由驾驶员引起的车辆上的扭矩/扭转应变，并且将有效地忽略仅由驾驶员的重量引起的应变。因此，该仪表的适当的校准，可以防止对乘客的重量和其他因素的不必要的应变检测。在一些示例中，可以替代地使用单个或半桥应变仪。在本示例中，如图1-3所示，应变仪136在框架内部的底表面上以45度角接合到框架102，使得应变仪将检测框架102上的对称的扭转引起的应变，同时也从元件得到保护。

如图5所示，应变仪136的模拟输出可以用放大器电路142 放大。电路142可以包括任何合适的放大部件，并且本质上是说明性的。当使用运算放大器来检测由应变仪对响应于感应的车辆上的应力而伸展和/或压缩，所引起的电压偏移时，偏转(转向)方向和速度(或转矩)可以从模拟电压推导得出。电路142提供用于测量这些小电压变化并将输出电压(对应于预期的转向)提供给微控制器(见图8)的方法。微控制器读取转弯请求信息并且命令马达控制器电路(见下文)根据骑乘人引起的转矩转动车辆。

第二(骑乘人检测)全桥应变仪144以任何基本上90度角度接合在框架102上，在中心区域108内或附近，在该区域，骑乘人重量，例如框架的顶侧和/或底侧引起应力。应变仪144可以用放大器电路146放大，放大器电路146可以基本上与电路142(参见图 5)相同，并且被配置为检测车辆100上的乘客体重引起的应变。当骑车人在车辆的面向上的一侧的任何地方步进时，由该传感器感应并检测应变，从而指示骑车者何时存在并启用电动机驱动系统。引起应力的大小可以与骑乘人的体重成比例。该控制系统可以被称为骑乘人-检测系统或骑乘人检测。当骑乘人离开车辆时，控制系统将停止驱动车轮(例如，通过关闭马达)，使得车辆停止，和/或可禁用自平衡功能。在一些示例中，可以替代地使用单桥或半桥应变仪。

可以基于检测到的应变的大小来精确地计算骑乘人的体重，并且该重量可以用于调节平衡控制PID回路的主动性。这有利于轻量级骑乘人的较不积极的平衡控制和较重骑乘人的较严格的更积极的平衡控制，其间具有粒度变化。这个特征增加了安全性，并有助于防止由于对具有轻体重骑乘人提供过度激进的车辆平衡系统或者对具有较大体重的骑乘人提供低功率软平衡的车辆平衡系统，而引起的跌倒。换句话说，车辆的平衡回路将适当地与由第二应变仪感测的骑乘人的重量相匹配。

当乘客检测应变仪144指示存在乘客时，来自平衡位置传感器130的感测的位置测量值和来自扭转应变仪传感器136的感测的应变测量值被用于使用电机控制器电路148驱动电机122，124和车轮 114，116。平衡位置传感器130和扭转应变仪传感器136的输出由马达控制器电路148用于驱动马达122，124。例如，马达122和124被控制以使车辆进入自平衡状态，以驱动向前或反后，和/或根据骑车者的指示期望转动车辆。控制器电路148中的平衡控制逻辑接收感测到的位置测量值并驱动车轮达到自平衡。下面更详细地描述自平衡控制逻辑。

扭转应变传感器136通过感测固定框架102上的中心区域 108中的应变来测量推断乘客身体的位置。该数据被马达控制器电路148 用于在马达122和124上指示产生不同的扭矩，使得车辆100在骑乘人期望方向上转向。在一些情况下，扭矩命令可以包括与每个车轮的马达成比例的反向差动扭矩。在一些情况下，扭矩命令可以包括适量的扭矩以实现对每个车轮的马达的相反差速的比例量。由骑乘人施加到车架102 的扭力越大，即通过按压脚部放置区域104上的脚趾和脚部放置区域 106上的脚跟(或反之亦然)，车辆将转动得越急。

可以在控制系统中使用，例如测量的扭转应变的形式中的骑乘人的转动请求，以对每个马达122，124施加相反的扭矩，由此以期望的偏航方向和速度驱动车辆。控制系统可以监测偏航速率(例如，使用MEMS速率陀螺仪)来确定偏航方向和速度，以确保骑乘人的偏航命令被适当地执行并且在安全余量内。防偏航自旋功能可基于偏航率(例如，由MEMS速率陀螺仪测量)命令一反向偏航力矩，从而防止不安全的旋转速度。该防偏航旋转命令可以是指数型的，基于偏航速率陀螺仪的输出。在一些示例中，偏航速度和方向可以通过两个车轮的旋转速度 (例如，RPM)之间的差来测量。

如上所述，总体平衡控制PID的积极性可以响应于轻型骑乘人而减小，并且随着骑乘人的重量增加而增加。附加地或替代地，马达控制器电路148相对于转向的反应性还可以基于骑乘人体重自动调节，和/或可以调节到不同的可选择的骑乘人模式。这可有利于提供取决于骑乘人的重量的自动调节转向速率灵敏度，例如，因为轻型骑乘人可能不能引起与较重的骑乘人一样多的扭转应力，因此，轻型骑乘人可能需要更多的扭转灵敏度和较重的骑乘人需要较低的灵敏度。

例如，在可选择驾驶员模式的示例中，新骑手可以选择更缓慢，响应更少的“学习”模式，其提供安全的和更为舒适的转向速度。同时，熟练的骑手可以选择非常快速和响应性好的转动速度。在一些示例中，可以通过设置在车辆100上的无线连接装置150，例如蓝牙智能(也称为BLE)模块，并且例如使用智能手机应用程序APP将该驾驶员模式传送到马达控制器电路148。

在一些示例中，车辆100可以在存储器中保存每个个体驾乘人的期望设置，例如根据他或她的测量重量，和/或可以调用先前建立的简档(例如，通过与智能手机的无线连接)。这样的简档可以包含有关于平衡积极性，转向灵敏度，最大速度和/或类似的信息。

当零应变施加到框架时，应变仪最初被校准到中心。然而，应变仪具有已知的随时间漂移其精度的倾向。在一些示例中，车辆100 的控制逻辑可以在启动时校准任何或所有应变仪的零点。校准可以在几个启动事件中被平均并且保存在存储器中，以防止无意应变对校准的不利影响。因此，随着车辆的使用，它将随着每个通电周期逐渐校准。

可以指导用户为车辆提供动力，而不施加任何重量或应变到框架上，使得在启动时应变仪可以被自动调零/居中以抵消漂移。漂移将随时间逐渐变化，因此该上电校准可以被配置成少量影响漂移值，以避免由在启动期间施加的偶然应变而进行的错误校准。

例如，如果在上电时测量到非常大的校准需求，则可以检测到错误的校准。该错误将被忽略，并且可以相应地警告骑乘人。也可以提供完整的用户启动的校准方法(例如，皮重”按钮或命令)。

在一些示例中，应变仪可以通过检测何时传感器在车辆100 骑行时被快速饱和而居中。在这些示例中，计量器将随时间缓慢地居中以确保在两个方向上的完全移动。在一些示例中，应变仪的零点的中心校准可以使用通过高值电阻器(例如，470K欧姆)连接到应变仪的微控制器的数模转换器(DAC)的输出来实现。该DAC输出将基本上替代电路142，146(参见图5)的电位器152，并允许微控制器调整应变仪全桥系统的中心点。

在一些示例中，应变仪可以替代地或附加地放置在每个脚部放置区域(104，106)的前部和后部下方，以直接检测每个脚的脚趾和脚跟的重力。例如，可以使用总共四个应变仪系统来分别测量骑乘人的脚趾和脚跟(每个脚部放置区域下两个)。然后，测量的应变可以用于以类似的方式确定骑乘人的转向意图，并且还用于确定骑乘人何时在车上或在何时不在车上。

在一些示例中，可以经由无线模块150，使用便携式电子设备(例如，智能电话)和安装的应用来实现远程控制特征，以控制车辆100。该特征可以由骑乘人检测电路启用或禁用，例如，以防止当骑乘人在骑乘时的遥控。在一些示例中，可以使用骑乘人的智能手机应用和无线模块150来调节骑乘人检测重量的阈值，使得仅允许高于一定重量的乘客使用车辆(例如，防止儿童未经允许使用)。

在一些示例中，可以在车辆的顶部和底部上设置脚部放置区域104和106，使得平台和/或车辆相对于骑乘表面是对称的。在这些示例中，骑乘人可以骑在“顶部”侧或“底部”侧，这在骑乘人接近车辆时可以更方便。骑乘人检测可以在任一方向上检测重量，并且被配置成趋向自平衡驾驶，其中骑车者重量施加的一侧被定义为“上表面”。

参照图6和图7，现在将描述转弯控制方法和骑乘人检测方法的示例。每种方法可以由车辆100的任何合适的控制器来执行，例如马达控制器电路148或其他合适的控制系统(例如，如下所述)。图6和图7示出在一些示例中执行的步骤的流程图，并且不必列举该方法的完整过程或所有步骤。所描绘的多个步骤可以结合本申请中所公开的车辆及感测和控制系统从而执行。虽然下面描述了方法的各个步骤，并且在图6 和7中描述了这些步骤，但是这些步骤不需要一定全部执行，并且在一些情况下，可以以与所示出的顺序不同的顺序来执行。

图6示出了方法200的步骤，其用于根据由应变仪136检测到的因扭转引起的应变，来控制车辆100的转向。因此，步骤202包括使用第一应变仪来检测转矩引起的应变。如上所述，第一应变仪可以相对于车辆的长轴(即，也相对于车辆的中心线和/或行驶方向)以大约或恰好45度定向。步骤204包括确定车辆是否已经转向，如果是，则确定在哪个方向。例如，这可以使用MEMS偏航陀螺仪和/或通过从车轮电机接收关于它们的相对转速的信息来实现。

步骤206包括，如果车辆没有转弯，则启动车辆在由第一应变仪测量的扭矩信号指示的方向上的转弯。例如，可以以不同的量向一个或两个车轮马达施加扭矩，以使车辆转向。如果车辆已经在转弯，则步骤208包括调节一个或两个马达的扭矩以影响期望的转弯。例如，根据已经在进行的转弯的速度，可以减小或增加一个车轮马达的扭矩。在一些情况下，车辆可能在与期望的方向不同的方向上转动，在这种情况下，扭矩必须逐渐地转变以反转转弯的方向。如图6所示，该系列步骤是一个循环，使得骑乘人引起的车架的扭转被监测并且在连续和/或持续的基础上做出响应。

图7描绘了方法300的步骤，其基于由应变仪144检测到的重量引起的应变来控制车辆100的马达。因此，步骤302包括使用第二应变仪来检测重量引起的应变。如上所述，第二应变仪可以相对于车辆的长轴(即，也相对于车辆的中心线和/或行驶方向)以大约或恰好90 度定向。步骤304包括确定所检测的应变(即，应变仪电压)是否大于选定的阈值。这可以防止误报并避免来自系统的不必要的响应。在一些示例中，可以选择阈值以排除轻型骑乘人(例如，儿童)使用车辆。如果应变电压小于阈值，则步骤306包括禁用车辆的马达。如果应变电压高于阈值，则步骤308包括启用马达，并且还可以导致步骤310，其中，如上所述，基于骑乘人的重量，来自动调节PID的平衡设置和/或转弯控制系统。

说明性控制系统和方法

参照图8和图9，该部分描述了适用于本申请公开的自平衡车辆(例如，车辆100和600)说明性控制系统400，以及相关的平衡控制和车辆转向方法。控制系统400可以是马达控制器电路148的示例 (或可以包括方面)。

图8是示出平衡和转弯控制系统400的示意性框图。控制系统400可以包括角速率传感器402(例如，三轴MEMS陀螺仪传感器集成电路(IC))，一个或多个倾斜传感器404(例如，三轴MEMS 加速度计IC)，微控制器或微处理器406，以及存储器408。

微控制器406可具有足够的计算能力以接收传感器数据并计算需要安全且舒适地使电动自平衡车辆达到平衡所需的扭矩。微控制器 406从角速率传感器402和倾斜传感器404接收数据，并且相对于重力确定车辆100的倾斜度。重力在这里用于表示相对于地球的垂直矢量或垂直轴。车辆100的倾斜在这里用于表示重力与由车辆100的向前和向后的方向上限定的平面中的车辆的纵向轴线之间的角度。

角速率传感器402可以包括被配置为测量车辆100的倾斜的变化率的任何合适的速率传感器，诸如具有每秒最大300度的三轴MEMS 陀螺仪速率传感器。也可以使用生成类似信号的其他组件。控制系统400 的角速率传感器402相对于框架102保持在固定位置，并且将框架102的角运动速率提供到微控制器406。传感器的速率输出和灵敏度的范围被配置为在正常使用期间不饱和时，充分提供准确的数据。

倾斜传感器404可以包括任何合适的倾斜感测装置，诸如具有正或负两个重力范围分量的MEMS电容型三轴加速度计。也可以使用生成类似信号的其他组件。控制系统400的倾斜传感器404相对于框架102 固定，并且提供框架102相对于重力的倾斜度。

存储器408可以包括任何合适的数字存储设备(例如，非易失性存储器，其在关闭时不丢失数据)并且可以存储指令和PID调谐参数。微控制器406可以在执行存储在存储器408中的指令时使用PID参数以实现PID算法410。PID算法向位于控制器电路板132上的马达驱动器412发送控制信号。马达驱动器设置从电池134发送的电流或电压到马达 122,124。PID参数可以根据骑乘人的重量自动调节，例如使得他们对于较重的骑乘人更具积极性。

车辆100还可以包括存储在具有其处理器420的数据处理系统418(例如，个人计算机)的存储器416中的指令414。指令414可以从计算机网络(例如互联网)或在物理介质上(例如在诸如U盘，CD或 DVD的便携式存储器存储设备上)下载，并提供给计算机418。控制系统 400可以被配置成连接到计算机418，计算机418可以将指令414上传到车辆100。指令414和计算机418可以提供对存储在平衡控制系统的存储器 408中的指令或参数的修改。控制系统400可以通过有线或无线方法，例如通过数据电缆或通过使用射频信号和协议的无线连接，或通过其他合适的无线装置连接到计算机418。

图9是流程图描绘用于使用控制系统400实现诸如车辆100 的车辆的平衡控制，加速，减速，转向和停止的说明性方法500中的步骤。

在步骤502，微控制器406读取角速率传感器402和倾斜传感器404。例如主要使用来自角速率传感器402的数据计算车辆100相对于重力的当前角度。以设定的间隔提取角速率。已经发现每秒大约500 至1400次是令人满意的，但是其他间隔也是合适的。角速率可以与时基成比例地并入当前倾斜角度，以提供车辆100的非常精确和具有响应性的当前角度。尽管角计算可以是准确的和具有响应性的，但是其可以随时间漂移。如下所述，可以通过将倾斜传感器计算的倾斜角度缓慢的结合到车辆的当前角度中来校正该漂移。

倾斜传感器404的数据以与角速率传感器402相似的周期读取。在步骤504，读取基于加速度计的倾斜传感器404的所有三个轴。这三个轴，称为X，Y和Z，形成标准坐标系。Z在这里被定义为对应于重力的垂直方向，其中X在左右方向上，Y在前后方向上。Y平面中的一个轴足以确定倾斜角的信息。Y-Z平面中的两个轴将提供更准确的倾斜角。三个轴可以确定施加到倾斜传感器404上的总离心力，加速度，减速度和有多少重力正施加在倾斜传感器404上。当车辆100静止时，所有三个轴的总组合加速度应当等于一个地球重力(G)。如果指示了多于或少于一个G，则外力被施加到了车辆100上。总的组合加速度可以用下面的公式计算：

相对于地球重力方向的实际倾斜角在足够过滤掉噪声和外部(非重力)力的时间段内被平均或减弱。总加速度大于或小于1G的加速度计数据将被丢弃，由于包括外部力，例如水平加速度，水平减速度和离心力。这些外力将对倾斜计算增加误差。使用Y和Z轴计算前后倾斜，如下式所示：

前后倾斜被足够地包括在车辆100的当前角度中，足以克服由角速率传感器402引入的任何漂移。在步骤506处，计算相对于垂直 (即相对于重力)的角度误差。

在步骤508，获取PID调谐参数。这些PID调谐参数在 PID算法410中用于计算相对于重力方向的加速，减速和/或平衡车辆 100所需的扭矩设置。

PID控制器有三个主要元件：比例控制，积分控制和微分控制。这三个元素足以创建响应的，准确的和稳定的系统。通过存储在存储器408中的比例增益(kP)参数来调谐比例控制(P)。比例控制器的输出是误差信号乘以kP，并且负责提供响应系统。积分控制(I)通过存储在存储器408中的积分增益(kI)参数来调谐。积分控制器的输出是所有在前的误差信号的总和乘以kI，并且负责提供精确的系统。需要对总和进行限制，以限制系统的振荡。积分控制可能不是在所有实施例中都是必需的，而是可代替的使用PD回路。差分控制(D)由存储在存储器408中的差分增益(kD)参数调谐。差分控制器的输出是误差信号的速度乘以kD，并且负责提供稳定的系统。PID控制器的输出是所有 P，I和D输出的总和。在本申请中的PID控制器的使用对于本领域技术人员应该是显而易见的。

在步骤510处，如上文所描述的那样，由扭转感测应变仪 136测量由骑乘人引起的车架的扭转。在步骤512，如上文所述，骑乘人检测应变仪144，测量骑乘人体重。在步骤514，根据骑乘人的重量， PID设置进行调整。在步骤514和516，在算法中使用先前获取和调整的 PID设置，以计算和(步骤518)设置所需的扭矩设置，以将车辆驱动到相对于重力的垂直位置，并且根据骑乘人的指示意图转向(偏航)车辆。这种简单的控制技术固有地允许骑乘人向前倾斜他/她的踝关节以向前加速车辆100，或向后倾斜或使他/她的踝部后倾以使车辆减速或停止，同时总是保持垂直平衡。

第二说明性自平衡车

如图10-15所示，该部分描述了具有包含一个或多个应变仪系统的控制器的另一示例性两轮自平衡车辆600以及相关方法。车辆 600是在上面概述部分中描述的车辆的示例，并且是车辆100的示例。因此，相应的部件可以标记有类似的附图标记。车辆600应当被理解为包括基本上如上所述的车辆100的各种特征(包括平衡和转弯控制系统) (尽管可能设置在不同的位置)。下面描述车辆600的附加和/或区别特征。

车辆600包括细长框架602，细长框架602包括限定长轴 L，中心线C并具有第一脚放置部分606和第二脚放置部分608的刚性脚放置平台604。脚放置部分刚性地连接在一起，也就是除了可能用于构造平台和框架的材料中的一些弯曲之外，脚放置部分不相对于彼此枢转。

框架602的中心区域610通常限定在两个脚部放置部分之间，如图10-14所示。抓握增强表面611包括在平台604的上表面上。在该示例中，表面611包括多个凸起的六边形形状，相应的通道在凸起形状之间延伸。然而，可以包括任何合适的抓握增强表面。

平台604的第一横向端(或侧)612包括第一车轮614，平台604的第二横向端(或侧)616包括第二车轮618。两个车轮定向为在共同的旋转轴线上旋转，该旋转轴线基本上平行于平台604的长轴线 L。车轮614和618邻近平台604的横向侧设置。一对挡泥板620,622 分别从框架602向上延伸，以分别至少部分地笼罩车轮614和618。在一些示例中，挡泥板620和622可以是可拆卸的。在一些示例中，挡泥板620和622可以附接到轴或框架602的不与平台604倾斜的部分。在一些示例中，挡泥板可以与平台604不同地选择性地定位。这可能是有益的，例如以确保挡泥板在操作期间保持在车轮的正上方，和/或可以便于翻转平台604以在站立在相对(底部)侧上的同时操作车辆600。

如关于车辆100所述，车辆600包括附接到平台604的平衡位置传感器以及相关电路，及用于为各种部件供电的可充电电池，包括与每个车轮相关联的驱动马达624，626(例如，轮毂马达)。如图10 所示，AC适配器628可以用于通过中心区域610中的电源端口630对车辆600的电池充电。具有开/关状态的开关632也可以设置在中心区域 610上。

平台604还包括前端634，后端636和底表面638。底表面638可以通过前端634和后端636处的壁与框架602的上抓握表面 611间隔开，形成基本上防风雨的容器，用于容纳内部部件(例如，传感器和电路)。各种覆盖的访问端口640可以位于底表面638(和/或其他合适的位置)上，以允许访问内部组件。

如图12所示，扭转感测应变仪642可以设置在中心区域610 中，与底表面638相邻，并且相对于中心线C以45度定向。第二骑乘人检测应变仪644也设置在中心区域610中，与应变仪642间隔开并且相对于中心线C和/或长轴L以90度定向。应变仪642和644两者在结构和操作上分别与应变计136和144基本相同。因此，应变仪642被配置为感测由施加在第一和第二脚部放置部分上的不平衡力(例如，通过如上所述的不平衡的脚趾/脚跟组合)引起的平台中的扭曲应变。类似地，驱动马达624和626被配置为响应于由平衡位置传感器感测的平台的倾斜而将车轮驱动以达到平台604自平衡，并且响应于由应变仪642感测的扭转应变而差速地驱动车轮以使车辆而进行转向。

车轮614和618可以分别包括轮胎646和648。轮胎646 和648可包括配置成在预期地形上提供增强的牵引的表面胎面。轮胎646 和648可以包括充气轮胎，液体，固体或凝胶填充的轮胎或任何其它合适的轮胎。

虽然，一般来说，可以说驱动马达122，124和624，626 被配置为响应于根据平衡位置传感器感测的平台的倾斜而驱动轮114， 116和614，618以使平台趋向自平衡，并且被配置为响应于由第一应变仪感测的扭转应变而差动地驱动车轮以使车辆100，600转向或执行本文所述的任何其它动作，但是同样可以说，控制系统400构造成使驱动马达以前述方式来驱动车轮114，116和614，618。

其他的示例及说明性组合

本部分描述了根据本申请所公开的自平衡电动车的附加方面和特征，其被非限制性地呈现为一系列段落，其中的一些或全部可以为了清楚和效率而以字母数字方式指定。这些段落中的每一个可以与一个或多个其他段落，和/或与本申请中其他地方的公开内容(包括通过引用并入本文作为参考的材料)以任何合适的方式组合。下面的一些段落明确地提及并进一步限制其他段落，提供但不限于一些合适的组合的示例。

A0.一种自平衡电动车辆，包括：

定义长轴的平台，第一脚部放置部分，及刚性地连接到所述第一脚部放置部分的第二脚部放置部分；

邻近所述平台的第一横向端设置的第一车轮以及邻近所述平台的第二横向端设置的第二车轮，其中所述第一和第二车轮共享平行于所述平台的长轴的公共旋转轴；

平衡位置传感器，附接到所述平台并且配置为感测所述平台的倾斜；

第一应变仪，附接到所述平台并且配置为感测由施加在所述第一和第二脚放置部分上的不平衡力引起的所述平台中的扭曲应变；

第一驱动马达配置为驱动所述第一车轮，以及第二驱动马达配置为驱动所述第二车轮，其中所述的驱动马达被配置为响应于所述平衡位置传感器感测到的所述平台的倾斜，驱动所述车轮使所述平台自平衡，并且响应于由所述第一应变仪感测到的扭转应变而差动地驱动所述车轮以便使所述车辆转向。

A1.根据A0中所述的车辆，进一步的包括附接到所述平台的第二应变仪，并被配置为感测由施加到所述平台上的骑乘人的重量而引起的所述平台中的应变。

A2.根据A1中所述的车辆，其中所述第一和第二应变仪设置在所述第一脚放置部分和所述第二脚放置部分之间。

A3.根据A1中所述的车辆，其中所述第一驱动马达和所述第二驱动马达被配置为当所述第二应变仪感测的应变超过预定最小值时被激活，并且当所述第二应变仪感测的应变小于所述预定最小值时被停用。

A4.根据A1中所述的车辆，其中所述第一和第二驱动马达被配置为响应于由所述平衡位置传感器感测的所述平台的倾斜，并且还响应于由所述第二应变仪感测的应变的大小来驱动所述车轮以使所述平台自平衡。

A5.根据A1中所述的车辆，其中所述第一和第二驱动马达被配置为差动地驱动所述车轮，以使所述车辆响应于由所述第一应变仪感测的扭转应变以及响应于由所述第二应变仪感测的应变的大小而转动。

A6.根据A0到A5中任一段所述的车辆，其中所述第一和第二驱动马达被配置为差动地驱动所述车轮，以使得所述车辆响应于由所述第一应变仪感测的扭转应变，并且还响应于骑乘人可选择的骑乘特性的设置而转动。

A7.根据A0至A6中任一段所述的车辆，其中所述平台包括顶侧和底侧，并且其中所述平台被配置为翻转并且以其顶侧面向下并且其底侧面向上的方式操作。

B0.一种自平衡电动车辆，包括：

刚性平台，其包括第一脚部放置部分及基本上刚性地彼此附接到所述第一脚部放置部分的第二脚部放置部分；

与所述第一脚部放置部分相关联的第一车轮和与所述第二脚部放置部分相关联的第二车轮，其中所述第一和第二车轮间隔开并且基本上彼此平行；

被配置为驱动所述第一车轮的第一驱动马达，以及被配置为驱动所述第二车轮的第二驱动马达；

耦合到所述刚性平台的车辆平衡位置传感器；和

耦合到所述刚性平台的应变仪；

其中所述驱动马达被配置为响应于来自所述车辆平衡位置传感器的数据驱动所述车轮以使所述平台自平衡，所述驱动马达被配置为响应于来自所述应变仪的指示所述第一和第二脚部放置部分上的不平衡力的数据而差动地驱动所述车轮以使所述车辆转向，并且所述驱动马达被配置为一致地驱动所述车轮，以使所述车辆响应于所述第一和第二脚部放置部分上的平衡力而线性移动。

B1.根据B0所述的车辆，其中所述应变仪相对于所述刚性平台的对角定向，使得所述应变仪仅测量所述第一和第二脚部放置部分上的不平衡力的扭转方面。

B2.根据B0到B1中所述的车辆，其中所述应变仪设置在所述刚性平台的在所述第一和第二脚部放置部分之间的中心区域。

B3.根据B2所述的车辆，其中所述应变仪邻近所述刚性平台的底表面设置。

B4.根据B0到B3中所述的车辆，其中所述驱动马达被配置为差动地驱动所述车轮，以使得所述车辆响应于来自所述应变仪的数据并响应于由用户选择的所述车辆的模式而转动。

B5.根据B0到B4中所述的车辆，其中所述应变仪是第一应变仪，所述车辆进一步包括第二应变仪，所述第二应变仪耦合到所述刚性平台并且构造成感测由施加在所述平台上的骑乘人的重量引起的所述平台中的应变。

B6.根据B5所述的车辆，其中所述其中所述驱动马达被配置为差动地驱动所述车轮，以使得所述车辆响应于来自所述应变仪的数据并响应于骑乘人的重量而转动。

C0.一种自平衡电动车辆，包括：平台，包括基本上刚性地彼此附接的第一脚部放置部分和第二脚部放置部分；

与所述平台的第一横向侧相关联的第一车轮和与所述平台的第二横向侧相关联的第二车轮，其中所述第一车轮和所述第二车轮间隔开并且共享公共旋转轴，所述公共旋转轴基本上平行于所述平台的长轴；

平衡位置传感器，其被配置为感测所述平台绕其长轴的旋转；

第一应变仪，配置为感测由施加到所述第一脚部放置部分和所述第二脚部放置部分的不平衡力在所述平台中引起的应变(并且由此而产生的应力)；

被配置为驱动所述第一车轮的第一驱动马达，以及被配置为驱动所述第二车轮的第二驱动马达，其中所述驱动马达被配置为响应于平衡位置传感器感测的所述平台的旋转，而驱动所述车轮以使所述平台自平衡，并且响应于由所述第一应变仪感测的应变(并且由此而产生的应力)而差分地驱动所述车轮以使所述车辆转向。

C1.根据C0所述的车辆，其中所述的第一应变仪测量由不平衡力引起的扭转应变。

C2.根据C1所述的车辆，其中所述的第一应变仪以相对于所述平台的长轴成大约45度角的方式耦接到所述平台的中心区域。

C3.根据C0到C2中所述的车辆，进一步包括耦接到所述刚性平台的第二应变仪，并且配置为感测由施加到平台上的骑乘人的重量引起的平台中的应变。

C4.根据C3所述的车辆，还包括控制电路，所述控制电路被配置为使用比例-积分-微分(PID)算法来控制所述第一驱动马达和所述第二驱动马达，而其中PID算法的一个或多个参数基于由第二应变仪检测的骑乘人的重量而改变。

C5.根据C3所述的车辆，其中所述驱动马达被配置为差动地驱动所述车轮，以使得所述车辆响应于来自所述第一应变仪感测的应力并响应于第二应变仪感测的骑乘人的重量而转动。

D.在一些示例中，车辆控制系统可以不进行测量、使用和/或需要车辆或骑乘人的滚动倾斜角的测量。

E.在一些示例中，车辆控制系统可以不进行测量、使用和/或需要车辆或骑乘人的偏航速率的测量。

F.在一些示例中，车辆可以包括用于连接到移动电话的无线连接特征，例如BLE(智能蓝牙)，其允许转向应变仪和骑乘人检测应变仪的远程配置。骑乘人可以定制时间，速度，灵敏度，最大速度和/或许多其它参数，以完全定制转向功能以使其成为骑乘人的喜好。例如，车辆可以被置于新的骑乘人的“学习”模式，这降低了转向传感器的灵敏度；或者在“专家”模式中，其增加灵敏度，允许更为熟练的骑乘人更快的控制和移动。这种连接还可以提供并允许设置车辆数据，例如速度，电池水平，距离，驾驶模式，最大速度，最大转弯速率，乘客检测阈值，应变计零点校准，充电状态等。

G.在一些示例中，框架可以在中间铰接以便于存储和运输。铰链可以向左或向右偏移，以允许在折叠时轮子彼此相邻地嵌套。中心平台铰接点可以在折叠时向上延伸并且还用作手柄。铰链可以具有锁定机构以防止在骑车时不期望的铰链运动。铰链可以在纵向轴线上，允许折叠的车辆尽可能扁平和紧凑。

优点，特点，益处

本文所述的自平衡车的不同实施例和示例提供优于已知解决方案的若干优点。例如，本文描述的示例性实施例和示例允许直观和简单的方式来在命令期望的转弯时检测骑车人位置。

此外，除了其它益处之外，本文描述的说明性实施例和示例允许制造简单，可靠，更强，经济有效且可定制的车辆，而没有独立可移动脚踏台和骑乘人检测开关的复杂性。

另外，除了其它益处之外，本文描述的说明性实施例和示例促进了对于轻型骑乘人的更软控制的自动实现，以及对较重骑乘人的更强，更积极的控制，从而大大增加了车辆的安全性。

另外，在其它益处中，本文描述的示例性实施例和示例包括应变仪系统，其代替了被配置为通过光学检测器向下按压门的橡胶垫的已知系统。应变仪系统可以更便宜，更简单，更可靠，更小，更轻和/或更可配置。

此外，除了其它益处之外，本文描述的示例性实施例和示例与具有平台的车辆相比具有独立地可枢转的脚部部分，有效地将驱动电机固定在一起(即在单个刚性平台)，允许当一个车轮遇到障碍物时，来自两个马达的扭矩一起驱动前进和后退。

没有已知的系统或设备可以执行这些功能。然而，本文描述的所有实施例和示例并非提供相同的优点或相同的益处。

结论

上面阐述的公开可以包括具有独立效用的多个不同示例。尽管已经以其优选形式公开了这些中的每一个，但是本文公开和示出的其具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。在本公开内容中使用章节标题的范围内，这样的标题仅用于组织目的。本发明的主题包括本文公开的各种元件，特征，功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。以下权利要求具体指出被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。在要求本申请或相关申请的优先权的申请中可以要求保护特征，功能，元件和/或特性的其他组合和子组合。这样的权利要求，无论是与原始权利要求相比更宽，更窄，相等或不同的范围，都被认为包括在本公开的主题内。