使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车的制作方法

本发明涉及平衡车领域，具体涉及一种使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车。

背景技术：

现有技术中的两轮平衡车主要通过陀螺系统来实现平衡调节，常见的做法如授权公告号为cn204095952u的中国实用新型专利，其公开了一种电动两轮汽车，包括车架以及与车架联接的陀螺装置，其通过控制系统控制陀螺飞轮的运动角速度来维持两轮汽车车身的平衡。

上述方案即为采用力矩陀螺结构平衡车，其通过使用两个相反旋转方向的陀螺，陀螺具有较大的惯量，通过陀螺的高速旋转，产生轴向的稳定性。在车身左右偏摆的时候，由于旋转陀螺的特性，陀螺会产生前后摆动的力矩，控制器通过控制陀螺的前后偏摆来调节车身的侧向平衡。

在结构方面，传统的力矩陀螺要抵消自身旋转带来的动量，所以要成对安装，常见的安装方式为前后两个陀螺相向旋转，安装方向为竖向安装，且陀螺一般要以大于5000转的速度运行，对机械结构的精度和强度的要求极高，因此在实际操作中平衡维持效果较差。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车，以弥补传统的平衡车采用力矩陀螺模式带来的机械结构性能加工精度和转速极高的不足。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车，包括车架和车架上的前后轮，还具有：位于前后轮之间的惯性飞轮结构，包括：固定支撑架、惯性飞轮、轴承、电机和减速器，所述固定支撑架安装在车架上，所述惯性飞轮的安装轴线为沿车身行驶方向，其外圈或内圈加工有齿圈，所述轴承通过轴承轴安装在固定支撑架上，该轴承分布在惯性飞轮周围与其相切接触并对惯性飞轮起到支撑、固定作用，所述电机与减速器固定连接，所述减速器的输出轴通过齿轮与惯性飞轮的齿圈啮合，惯性飞轮外侧或者内侧通过轴承，分别沿着惯性飞轮外侧或者内侧轨道旋转；

惯性飞轮的驱动结构还可采用如下方式代替：

使用外转子无刷电机，飞轮为磁性材料，直接作为电机转子，飞轮内侧使用线圈，通交变电流产生与飞轮转速相同的旋转磁场，推动飞轮旋转；

使用电机驱动，飞轮外侧有同步轮，电机侧也装有配套同步轮，通过同步轮同步带传动，使飞轮旋转。

在控制方面，具有控制系统，包括：mcu、电机驱动器和相应的传感器；所述传感器采集平衡车的车身姿态参数和飞轮状态参数，所述mcu实时根据传感器传输的车身姿态参数和飞轮状态参数数据推算系统的倾斜力矩并将控制指令输出到电机驱动器，所述电机驱动器执行mcu的控制指令用于驱动惯性飞轮结构中的电机，作用于惯性飞轮产生特定方向和大小的加速度产生反向力矩，从而来使车身达到自平衡。

具体地，所述传感器包括姿态传感模块和飞轮状态传感模块，姿态传感模块通过陀螺仪和重力加速度计测得的数据信号，经过数据融合算法处理得到车身的倾角和车身的角速度两个姿态参数，飞轮状态传感模块可以通过旋转编码器信号，计算得到飞轮的位置和飞轮的转速。

较为优选的，所述车架上安装有司机座椅，所述惯性飞轮结构安装在司机座椅的后方。

较为优选的，所述控制系统在保证车身平衡的前提下，引入了飞轮的转速反馈，在计算电机所需要的扭矩的同时加入转速的反馈信息，用以降低惯性飞轮的转速。

较为优选的，所述使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车的自平衡范围最大值为车身倾角30度，在车身倾角大于30度时，超过车身自稳的范围，及时停车报警，以保证使用者的安全。

具体地，支撑、固定支承惯性飞轮的轴承可以是3组，也可以是多组。

为了方便描述，作出如下定义：

定义车身的重量为m，车的重心高度为l，

可以得到车身的转动惯量为jm＝m*l^2

定义惯性飞轮的的内径尺寸为d外径尺寸为d飞轮的厚度为h，

可以得到飞轮的体积为v＝pi*d^2/4-pi*d^2/4

飞轮材料的密度为ρ，

可以计算得出飞轮的质量为m＝h*ρ*v

此外，通过公式jm＝m*(d^2/4+d^2/4)/2可以计算得出飞轮的转动惯量

由于角动量守恒可得出，在jm和jm匹配的前提下(惯量相差不超过10倍，否则会由于飞轮转速过高导致失控)，车身的摆动可以通过飞轮的反向旋转来平衡，具体实现方案如下。

在控制系统工作之后，姿态传感器模块通过读取测得的陀螺仪数据和加速度数据并通过姿态融合算法将最终得出的车身的角度信息和车身的角速度信息通过通信总线传输给主控制器mcu。主控制器mcu通过传感器信息可以实时检测车身的姿态，当检测到车身产生某一方向的角速度时，说明车身受到外界干扰，主控制器mcu通过实时检测传感器角度和角速度的大小和方向，通过计算，将该数值转换为控制电机所需要的力矩值，并通过总线将控制指令传送到电机的驱动器，驱动器执行相应的控制指令，电机产生扭矩，来保证车身的平衡，该动态调节过程是实时的，为了保证系统的即时响应，控制器采用10hz的控制频率进行实时控制，即传感器的采样频率和电机控制指令的发送频率包括电机的指令执行速度都要高于10hz。

当车身受到侧向冲击之后，车身产生一个侧向的角加速度

由此可得出车身的所需的平衡力矩为，

由力矩平衡可以得出飞轮产生相应扭矩所产生的反向角加速度

在本发明的一个实施方案中，车身的设计重量m为100kg，车身的重心高度l为500mm，车身的转动惯量为jm＝m*l^2＝25kg*m^2

飞轮的设计外径d为500mm，内径d为400mm，厚度h为200mm，飞轮的体积v＝pi*d^2/4-pi*d^2/4＝0.07m^3

飞轮的材料密度为ρ＝7.93g/cm^3，

可以计算得出飞轮的质量为m＝h*ρ*v＝112kg

此外，通过公式jm＝m*(d^2/4+d^2/4)/2可以计算得出飞轮的转动惯量jm＝5.75kg*m^2。

此外，飞轮的状态传感器可以实时采集飞轮的转速信息和角度信息，并以200hz的采样频率传输到主控制器，该数据有两方面的作用，首先，主控制器可以检测飞轮的转速，避免飞轮因转速过高而导致车身的失控，其次控制器在保证车身平衡的前提下，引入了飞轮的转速反馈，在计算电机所需要的扭矩的同时加入转速的反馈信息，可以很好的抑制飞轮转速过高的问题，这样可以降低惯性飞轮的转速，不仅提高控制的可靠性，还可以降低控制系统的功耗。

为了保护使用者的安全，在车身倾斜角度大于30°的时候，隐藏在车身两侧的安全辅助轮支架会及时打开，并且控制系统发送电机停转指令，保证车身的稳定不会侧翻。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种使用惯性飞轮结构的前后轮平衡车。具备以下有益效果：

本发明使用的惯性飞轮平衡原理，与现有技术中的陀螺力矩平衡的方式有本质的区别，本发明使用动量守恒的原理，通过安装与行进方向轴线相同的惯性飞轮，在车身左右偏摆的时候，控制飞轮的角加速度，使车身系统产生反向作用力矩，来实现车身的平衡控制，而惯性飞轮结构可以任意数目安装；在机械结构方面，由于飞轮转速较低，所以对机械结构的强度和装配精度要求很低，且在运行时的振动和噪音都很容易控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是采用惯性飞轮结构的平衡车整体示意图；

图2是实施例1中惯性飞轮的结构示意图；

图3是本发明相关变量的定义示意图；

图4是本发明控制算法的程序流程图；

图5是本发明电子系统的组成结构图；

图6是实施例2中惯性飞轮的示意图；

图7是实施例3中惯性飞轮的示意图；

图8是惯性飞轮结构采用齿轮传动的另一结构示意图。

附图标记如下：

1.车架、2.前轮、3.后轮、4.底盘、5.司机座椅、6.惯性飞轮结构、7.惯性飞轮、8.齿圈、9.轴承、10.固定支撑架、11.固定垫圈、12.电机、13.减速器、14.齿轮、15.同步轮、16.配套同步轮、17.同步带、18.电机转子。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本方案的实现原理为：该平衡车使用惯性飞轮结构，上配置有姿态传感模块和飞轮状态传感模块。姿态传感模块通过陀螺仪和重力加速度计测得的数据信号，通过数据融合算法得到车身的倾角和车身的角速度两个姿态参数；飞轮状态传感模块可以通过旋转编码器信号，计算得到飞轮的位置和飞轮的转速。主控制器mcu通过得到的车身的姿态参数和飞轮的状态参数，使用设计的反馈控制算法来实时根据车身的倾斜状态和飞轮的速度变化状态计算系统的倾斜力矩，控制电机作用于飞轮产生特定方向和大小的加速度产生反向力矩，从而来使车身达到自平衡。同时，主控制器mcu通过飞轮的状态参数可以获知飞轮的速度信息，通过附加的反馈可以在保持系统稳定的前提下尽可能降低飞轮的转速，以达到降低功耗提高结构可靠性和稳定性的效果。

实施例1

图1为采用惯性飞轮结构的平衡车,包括车架1和车架上的前轮2、后轮3，车架的底盘4上设有司机座椅5，司机座椅5的后方安装有惯性飞轮结构6，该惯性飞轮结构6的安装轴线为沿车身行驶方向。

图2为本发明中惯性飞轮结构采用齿轮传动的结构示意图，以下对机械结构部分的组装进行详细说明，惯性飞轮7外圈加工有齿圈8，首先将分别将轴承9-1，轴承9-2通过轴承轴安装在固定支撑架10上面，然后将惯性飞轮7安装在固定支撑架10上，轴承9-1,9-2相切支撑着惯性飞轮7，保证惯性飞轮7前后左右对称安装在固定支撑架10上的时候，将轴承9-3，轴承9-4通过轴承轴安装在惯性飞轮固定支撑架10上的同时，同时也启到固定惯性飞轮7的作用。这个时候，4个轴承即启到了对惯性飞轮7的固定、支撑作用，同时也对惯性飞轮7旋转启到辅助作用，轴承9-1,9-2,9-3,9-4通过轴承固定垫圈11和螺钉使其固定安装在惯性飞轮固定支撑架10上；电机12和减速器13通过螺钉固定在一起，减速器13输出轴和齿轮14固定连接，齿轮14外圈也和惯性飞轮7外圈一样，加工有相同模数的齿圈，最后电机12和减速器13通过电机安装板精准安装在汽车底盘4上，使其齿轮14和惯性飞轮7安装配合精度达到所需要求；

齿轮14和惯性飞轮7连接方式用齿轮齿轮连接。以上固定支承惯性飞轮7的轴承可以是3组，也可以是多组。

图8为惯性飞轮结构采用齿轮传动的另一结构示意图，在该种方式中，齿轮14外圈也和惯性飞轮7内圈一样，加工有相同模数的齿圈，方便啮合，固定支承惯性飞轮7的轴承可以是3组，也可以是多组。

图3是本发明中相关变量的定义示意图。因为车身只涉及侧向的平衡，因此，可以以垂直车行进方向的平面做一切面，建立二维的xy平面直角坐标系，定义车身的倾角为θ，车身的角速度为飞轮的角度为α，飞轮的角速度为

图4是该平衡车控制算法的程序流程图。在平衡车启动之后，系统首先进行自检，来排查机电系统的工作状况，接着对系统的传感器进行初始化，并进行校正。在初始化工作完成之后，控制系统开始读取传感器数据，获知系统状态，并经过mcu运算得到维持平衡需要的力矩，从而控制轮毂电机使车身平衡。此外，在车身倾角大于30度，超过车身自稳的范围，及时停车报警，以保证使用者的安全。

以下结合附图5对电子部分的组成进行详细说明。

该平衡车电子系统分为总控系统和控制系统两大部分。

其中控制系统是平衡车电子系统的核心，控制系统由mcu、电机驱动器和相应的传感器组成。

其中，mcu实时对传感器的数据进行处理并计算输出力矩并将控制指令输出到电机驱动器。电机驱动器可以执行mcu的控制指令用于驱动飞轮电机。

传感器包括姿态传感模块和飞轮状态传感模块。姿态传感模块可以通过陀螺仪和重力加速度计测得的数据信号，通过数据融合算法得到车身的倾角和车身的角速度两个姿态参数；飞轮状态传感模块可以通过旋转编码器信号，计算得到飞轮的角度和飞轮的角速度。

总控系统是整个平衡车电子系统的主干，负责整个电子系统的电力分配和电量检测，与用户的交互显示，以及控制轮毂电机并与控制模块进行实时通信，相关数据的传输和对控制系统实时的监控。

以下对平衡的原理进行详细说明。

控制模块通过得到的车的姿态参数和和飞轮的状态参数，实时根据车身的倾斜状态和飞轮的速度变化状态推算系统的倾斜力矩，控制电机作用于飞轮产生特定方向和大小的加速度产生反向力矩，从而来使车身达到自平衡。

同时，控制模块通过飞轮的状态参数可以获知飞轮的速度信息，通过附加的反馈可以在保持系统稳定的前提下尽可能降低飞轮的转速，以达到降低功耗提高结构可靠性和稳定性的效果。

在车辆运行静态，θ和均为零，控制器通过控制使与为反方向来减小飞轮的转速从而降低车身能耗。

在车辆正常行驶时，θ和均为零，系统处于运行状态，控制器时刻监控车身的状态以便及时作出调整。

无论车处于上述静态还是运行动态状态中，在车辆遇到扰动或者受到冲击时，系统通过车的姿态参数和和飞轮的状态参数来控制电机使飞轮产生平衡力矩来使车身达到稳定。

在车辆转弯时，通过实时计算车的速度结合车身的姿态参数来控制保持车身倾斜角的稳定，满足车转弯所需要的向心力条件，使车在转弯过程中保持稳定与安全。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，如图6所示，惯性飞轮7外侧有同步轮15，电机12侧也装有配套同步轮16，电机12通过同步轮同步带17传动，使惯性飞轮7旋转。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，如图7所示，采用外转子无刷电机，惯性飞轮7为磁性材料，直接作为电机转子18，飞轮内侧使用线圈，通交变电流产生与惯性飞轮转速相同的旋转磁场，推动飞轮旋转；

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。