自平衡兩輪電動車制造技術

本發明專利技術是一種自平衡兩輪電動車。它涉及電動車，尤其是兩輪左右分布的電動車。本發明專利技術包括車體、車輪和電驅動系統等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，車輪與車體之間為轉軸連接，速度傳感器和角度傳感器將車輪與車體的轉角及傾角信息傳輸到控制電路中，利用其中的軟件計算控制量，從而控制車輪與車體的運動及平衡狀態。本發明專利技術是利用倒立擺控制原理來實現車體的自動平衡，從而簡化了車體的結構。在運行過程中自動保持車體平衡，靈活性強且結構簡單、操作容易，可作為大型廣場或娛樂場所、紡織車間、高爾夫球場等工作人員的代步工具；也可作為電動交通工具。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及電動車，尤其是兩輪左右分布的電動車。
技術介紹
對于步行街、廣場、游樂場和大型會場等場合，汽車無法通行，步行又令人疲勞。需要有一種可以為人代步、運行靈活、控制方便的特殊車輛。傳統的人力自行車或電動自行車雖然可以為人代步，但是由于兩輪前后分布，它存在以下的缺點①車輛的轉彎半徑大，無法在小空間范圍靈活運動；②完全依靠駕駛者的身體來人工控制車體的平衡；③無法倒車。中國專利申請(申請號02114794.9)提出的專利技術專利《新型電動車》是一種兩輪左右分布的電動車，它利用了高速陀螺角動量守恒原理來保持兩輪車的平衡，但它存在以下缺陷①在有外界干擾(包括人為改變車體運動狀態)的情況下，角動量方向會發生改變，影響其穩定工作；②平衡轉盤體積很大且高速旋轉(10000轉/分)，因而會消耗大量電能，電池使用時間很短。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種在運行過程中自動保持車體平衡，靈活性強且結構簡單、操作容易的自平衡兩輪電動車。本專利技術包括車體、車輪和電驅動系統等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，其特征在于所述車輪與車體之間為轉軸連接，所述傳感器為速度傳感器和角度傳感器，速度傳感器安裝在車輪與車體的連接處，角度傳感器安裝在車體上，所述控制電路中存儲或固化了相應的用于控制平衡的軟件。所述車體上的人體支撐件為桿狀把手，控制開關安裝在把手的手柄或立桿上；或者，人體支撐件為座椅，控制開關安裝在座椅的扶手或腳踏上。也就是說，本專利技術是利用軟件來實現車體的自動平衡，從而簡化了車體的結構。本專利技術的結構僅包括車體、車輪和電驅動系統等。其車輪采用自驅動車輪，即每個車輪中都帶有驅動用的電機、各自單獨驅動。車輪安裝在車體兩側，形成兩輪左右分布結構，以減小車輛的轉彎半徑。車輪與車體之間為轉軸連接，使車體可以繞車輪的轉軸形成水平擺動。車體可以只有車身，或者包括車身和人體支撐件等，應有足夠的承載強度。車身可以是盒式，以便將電源以及控制電路、驅動電路等置于其中；也可以是板式或其它合適的形式，這時電源以及控制電路、驅動電路等要根據其具體情況來放置。車輪通常安裝在車身上，人體支撐件也安裝在車身上。人體支撐件為桿狀把手或座椅(或其它合適的形式)、可以給駕駛者以把持或依靠，其與車身之間應為固定連接。控制開關通常設置在人體支撐件上，以便于操作。傳感器通常設置在車體上，以便于直接感受車體的運行及平衡狀況。控制電路的核心器件可以采用微處理器、單片機等，驅動電路則采用適當的形式以使電機能夠正轉、也能反轉。本專利技術所采用的傳感器包括速度傳感器和角度傳感器，通過它們可以測量出車體的運行狀況及平衡狀況、包括兩輪的轉角和車體的傾角的信息，反饋給控制電路，計算出兩輪和車體的角速度及角加速度、從而計算出兩輪所需的電機轉矩，實現對車體的控制。本專利技術所采用的控制方程為m4R2+mlR2+Jl+JφR2f2m4R2-JφR2f212mRLm4R2-JφR2f2m4R2+mrR2+Jr+JφR2f212mRL12mRL12mRLJθ+mL2θl··θr··θ··-00000000mgLθlθrθ=MlMr-Ml-Mr]]>其中，Ml為左車輪的電機轉矩，Mr為右車輪的電機轉矩；θl為左車輪的轉角，θr為右車輪的轉角，θ為車體相對于水平面的傾角；Jl、ml和Jr、mr分別為左、右車輪的質量和繞質心的轉動慣量，R為車輪半徑，m為車體及駕駛者的質量之和(駕駛者的質量可取典型量，如70kg)，其質心到轉軸的距離為L，其繞質心在θ角上的轉動慣量為Jθ。 和 則分別為左、右車輪和車體的角加速度，它們是通過θl、θr和θ計算而得。當車體不運動也不傾斜時，角度傳感器得到車體傾角信號(此時幾乎為零)并送入控制電路，控制電路根據此信號并綜合左、右車輪速度傳感器的信號(此時也幾乎為零)算出兩輪所需的電機力矩控制量，將該控制量送入驅動電路中，經過功率放大等處理后傳送到驅動車輪的電機中，保持車體原地平衡。當需要車體前進時，駕駛者使車體稍微向前傾斜，角度傳感器得到傾角信號送入控制電路，控制電路根據此信號并綜合左、右車輪速度傳感器的轉角信號算出兩輪所需的電機力矩控制量，將該控制量送入驅動電路中，經過功率放大等處理后傳送到驅動車輪的電機中，控制車輪向前轉動并始終保持車體平衡。傾角越大，加速越快。當需要減速、剎車或后退時，駕駛者使車體稍微向后傾斜，控制電路同樣可以根據傳感器信號算出所需反力矩、從而控制車輪向后轉動并始終保持車體平衡。傾角越大，反向加速越快。需要轉彎時，駕駛者通過控制開關給出一個信號，控制電路根據計算得出左、右輪的不同力矩大小，從而控制車輪分別以不同的速度或方向轉動并始終保持車體平衡，由此可以控制車體轉動到所需方向。綜上所述，本專利技術與已有的電動車比較具有以下優點①由于兩輪為左右分布，使車輛的轉彎半徑為零，可以在小空間范圍靈活運動； ②通過軟件計算輸出控制量，由控制電路分別控制兩側車輪，不僅使車體能夠自動保持平衡，而且不需要機械構造的剎車、倒車、平衡系統；使結構簡單，操作方便。③具有廣泛的用途。如可作為大型廣場或娛樂場所等步行人員、大范圍場地維持秩序的有關人員、紡織車間操作人員、高爾夫球場工作人員等的代步工具；也可應用在人口密集的城市及地區的電動交通工具。附圖說明圖1是本專利技術的外形結構示意圖(其中人體支撐件為桿狀把手)。圖2是本專利技術的外形結構示意圖(其中人體支撐件為座椅)。圖3是本專利技術的內部結構示意圖。圖4、圖5是本專利技術的速度傳感器結構示意圖(圖4為正視圖，圖5為側視圖)。圖6是本專利技術的用于控制平衡的軟件流程圖。圖7是本專利技術的電路框圖。圖8是本專利技術的控制電路的線路圖。圖9是本專利技術的驅動電路的線路圖。具體實施方案下面結合附圖及實施例對本專利技術作進一步詳細描述(但并不僅限于此實施例)本專利技術實施例的外形結構如圖1或2所示。車身由蓋板和底座構成，用螺釘2將蓋板1固定在底座3上而成。左、右車輪6為永磁直流有刷無齒電動輪，電機置于輪轂中，其轉軸通過螺母7固定在車體底座3上。速度傳感器由光電傳感器4和測量盤5構成，讀取固定在車輪6上的測量盤5的轉角信號并傳輸到控制電路中，從而計算車輪的轉動角度、角速度和角加速度(測量盤5為帶有格柵的碼盤，其固定在車輪上，可以保證與車輪以相同的速度轉動。光電傳感器4的一端發出紅外光并由另一端接收。如果碼盤5在其中間轉動，格柵將斷續切斷光線的傳播，光電傳感器接收由此得到的脈沖信號)。速度傳感器也可以采用測速電機的形式。人體支撐件為桿狀把手9或座椅18，使用固定螺栓8安裝在蓋板1上并可以調節其傾斜角度以使駕駛者感覺舒適。控制開關包括電源開關及轉向開關，其中電源開關10和轉向開關11均可采用點動式、分別安裝在桿狀把手9上方的手柄處或座椅18的扶手處(也本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自平衡兩輪電動車，包括車體、車輪和電驅動系統等，帶有電機的車輪安裝在車體兩側，電源、控制電路、驅動電路以及傳感器和控制開關等安裝在車體上，其特征在于：所述車輪（６）與車體之間為轉軸連接，所述傳感器為速度傳感器（４）和角度傳感器（１４），速度傳感器安裝在車輪與車體的連接處，角度傳感器安裝在車體上，所述控制電路（１５）中存儲或固化了相應的用于控制平衡的軟件。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張培仁，屠運武，張先舟，張培強，王久才，王樺，賴俊偉，吳曉東，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：34[中國|安徽]