一种无轮距车辆控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种无轮距车辆控制系统和控制方法，使用角动量装置进行姿态控制，同时至少利用重力力矩对角动量装置进行卸载，使得在控制系统供电存在的前提下，无轮距车辆不依靠辅助支撑也可以无限长时间地保持静止或者低速行驶状态。通过角动量管理，避免了角动量装置的角动量饱和问题，增强了无轮距车辆抵抗外部干扰力矩的能力，提高了无轮距车辆转弯机动能力，并极大降低了对于姿态敏感器的精度要求。在一个实施方式中通过倾斜整车实现对重力力矩的利用，在另一个实施方式中通过调节装置直接调节整车的重心实现对重力力矩的利用。无轮距车辆可以是两轮汽车、两轮摩托车、单轨火车、独轮车等。典型的角动量装置为控制力矩陀螺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及交通车辆，特别是涉及无轮距车辆的稳定系统。
技术介绍
无轮距车辆是指车轮之间没有轮距的车辆，即所有车轮沿着一条直线布置的车辆，比如两轮摩托车、两轮自行车、单轨火车、独轮车、两轮汽车等。相比四轮汽车、三轮车、双轨火车等交通车辆，无轮距车辆一般车轮数量较少，因此能耗较低，而且不存在内轮差，从而避免了转向轮胎磨损和附加能耗。在节能减排呼声日益高涨的现代社会，由于车轮数量带来的节能潜质是无轮距车辆的一大优势。此外，由于无轮距车辆的体积可以设计的比有轮距车辆更小，也使其在日益拥挤的城市中有着极大的发展潜力。受市场需求和技术发展的双方面推动，原本默默无闻的无轮距车辆正在向着更安全、更舒适、更快捷的方向发展，原本普通平凡的无轮距车辆形态也正在与新技术进行着多方面的融合，而这种融合正在催化着一场交通方式的变革。以两轮汽车、两轮封闭式摩托车为例，随着各品牌的无轮距车辆产品的问世，以它们为代表的新兴技术正在从原型走向市场化。无轮距车辆由于没有轮距，因此缺乏有轮距车辆那样固有的滚转方向上的平衡力，易于左右倾倒，车辆滚转方向上的平衡需要通过其他方式来保证。早在20世纪初，就有单轨火车投入使用，但是这些单轨火车要么使用了较宽的单轨来提供平衡力，要么使用了辅助支撑来提供平衡力，唯一的真正的单轨火车Gyro Monorail是使用了控制力矩陀螺(CMG)来保持平衡，但是最终却只是停留在了原型验证阶段，没有走向实用。一方面是当时尚且没有现代电子控制技术，另一方面也是因为没有找到合理有效的控制方式。两轮汽车的历史同样可以追溯到20世纪初。早在1914年，世界第一辆两轮汽车Gyrocar就问世了，具有一前一后两个车轮，同Gyro Monorail一样，两轮汽车Gyrocar也使用控制力矩陀螺(CMG)来保持车辆在滚转方向上的稳定。此后又陆续出现了其他的一些两轮汽车，比如1967年的Gyro-X Car等。所有的这些两轮车都使用了控制力矩陀螺，能够一定程度上保持车辆滚转方向上的稳定，但是转弯稳定性差、转弯半径过大、需要辅助支撑、控制力矩陀螺重量过大等问题一直困扰着两轮汽车的发展。这些问题一方面是因为缺乏更好的力矩陀螺技术和电子技术，另一方面同样也是因为没有找到合理有效的控制方式。2012年，专利申请号201380021809.6，该摩托车使用了两个控制力矩陀螺组成解耦的滚装方向上的力矩执行机构。受助于陀螺技术的发展，该专利使用了较高转速的控制力矩陀螺，在减小了控制力矩陀螺重量的同时，也为整车提供了尚可的角动量存储和力矩输出能力，在转弯、飞车、碰撞等情况下具有一定的姿态保持能力。但是根据该专利文献的技术描述和性 能描述，该款摩托车依然只能提供有限的停车或者低速行驶时间，当车上的控制力矩陀螺饱和时，只能伸出辅助支撑来维持摩托车平衡，说明其同样没有找到合理有效的无轮距车辆姿态控制方式。2014年，专利申请号201420469283.X，该两轮电动汽车使用了高性能的控制力矩陀螺和电子控制系统，实现了多种路况下和驾驶场景下的两轮行驶，展现了优良的性能和升级潜力，历史上首次将两轮汽车的产品化和市场化提上了日程。两轮汽车、两轮摩托车由于具有类似普通四轮汽车的车厢，能提供普通四轮汽车同样的舒适度，而且更加节能环保和节省空间，因此受到多方关注。不断出现的关于两轮汽车的专利申请201220435498.0、201410684757.7、201410730671.3等，也反映了行业和市场对于新型无轮距车辆的热情。独轮车产业最近两年的发展也很快，这种简易的单轮单人交通工具的平衡主要依靠驾驶人的腿部和腰部控制，目前独轮车自身并无姿态平衡能力，初次驾驶独轮车的人往往会感觉平衡困难，特别是上车和下车的时候，对于驾驶者的腿部控制能力要求较高。如果能够为独轮车增加姿态平衡能力，那么其使用体验就会有较大的提升。两轮车辆中所使用的控制力矩陀螺原本是大型航天器姿态控制的执行机构，具有输出力矩大、功耗低、重量轻等优点。所有的角动量装置都会遇到角动量饱和的问题，因此所有使用角动量装置的控制系统都必须要进行角动量管理。控制力矩陀螺也是角动量装置的一种，所以也存在角动量饱和的问题。空间轨道环境的特点是，外部扰动力矩相比地面道路交通环境小很多，航天器中避免控制力矩陀螺角动量饱和的方法多是通过航天器上的喷气推力器和地磁场进行角动量卸载。但是地面车辆受到的扰动力矩要大很多，受到的扰动也频繁很多，无论是喷气卸载或者地磁卸载都无法提供足够的卸载力矩。显然航天器控制力矩陀螺的角动量卸载方式不适用于地面车辆，因此有必要为使用控制力矩陀螺等角动量装置的地面车辆，找到合适的角动量管理手段。在高速行驶时，无轮距车辆的姿态平衡可以通过向心力所产生的力矩实现。具体原理是，在车辆出现侧倾时，具有转向功能的车轮的陀螺效应会使其略微转向，从而使得车辆出现微小的转向，这种微小的转向所产生的向心力力矩在左右方向上会再次平衡无轮距车辆。自行车、两轮摩托车、独轮车等在高速行驶时所显现的稳定特性都是基于相似的原因。这种平衡的前提是车辆达到一定的行进速度、转向车轮达到一定转速。但是在静止或者低速下，这种平衡机制就不存在或者过弱了。从公开文献和专利来看，现有技术尚未找到无轮距车辆的最合理有效的姿态控制方法。而本专利技术给出了无轮距车辆姿态控制系统和方法的一般宗旨和优化形式，解决了无轮距车辆角动量管理和姿态稳定的问题。
技术实现思路
在现有技术中，所有的无轮距车辆的姿态控制都缺乏对角动量装置有效的角动量管理， 因此，虽然现有技术已经能够完成对无轮距车辆的滚转方向上的姿态平衡，但是如果没有有效的角动量管理，那么在不依靠辅助支撑的情况下，这种姿态平衡是难以长时间维持的，也是不可靠的。本专利技术的目的是至少利用重力力矩对角动量装置进行卸载，使得在控制系统有供电的前提下，无轮距车辆不依靠辅助支撑也可以无限长时间地保持静止状态。同时通过角动量管理，增强无轮距车辆抵抗外部干扰力矩的能力，提高无轮距车辆转弯机动能力，并减小角动量装置的尺寸。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种无轮距车辆控制系统，包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接；所述控制器参考运动状态敏感单元提供的车辆运动状态信息，通过控制角动量装置而产生力矩控制车体姿态；所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，控制整车重心，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，从而至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差；其中，所述整车包括所述车体、车轮、角动量装置、控制器，以及全部车载装置、车上全部人员、动物和其他一切物品；所述平衡状态角动量是在角动量装置正常工作范围内选取的一个角动量；所述车轮接地点是车轮与地面的接触点；对于只有单个车轮的车辆，所述车轮接地点连线方向定义为车轮前进方向。可选的，所述控制器控制整车重心的方式为：倾斜整车。可选的，所述控制器倾斜整车的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无轮距车辆控制系统，包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接，其特征在于：所述控制器参考运动状态敏感单元提供的车辆运动状态信息，通过控制角动量装置而产生力矩控制车体姿态；所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，控制整车重心，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，从而至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差；其中，所述整车包括所述车体、车轮、角动量装置、控制器，以及全部车载装置、车上全部人员、动物和其他一切物品；所述平衡状态角动量是在角动量装置正常工作范围内选取的一个角动量；所述车轮接地点是车轮与地面的接触点；对于只有单个车轮的车辆，所述车轮接地点连线方向定义为车轮前进方向。

【技术特征摘要】
1.一种无轮距车辆控制系统，包括车体、车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器，所述车轮为单个或者沿直线排列的多个，所述角动量装置能够吸收或者释放角动量，并输出力矩，所述运动状态敏感单元能够测量车辆的部分或全部运动状态，所述车轮、角动量装置、运动状态敏感单元、控制器与所述车体联接，其特征在于：所述控制器参考运动状态敏感单元提供的车辆运动状态信息，通过控制角动量装置而产生力矩控制车体姿态；所述控制器根据角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差，控制整车重心，使整车重心与车轮接地点连线所组成的平面处于特定的姿态，从而至少利用重力产生的力矩改变整车沿车轮接地点连线方向上的角动量，减小角动量装置的实际角动量与平衡状态角动量之差；其中，所述整车包括所述车体、车轮、角动量装置、控制器，以及全部车载装置、车上全部人员、动物和其他一切物品；所述平衡状态角动量是在角动量装置正常工作范围内选取的一个角动量；所述车轮接地点是车轮与地面的接触点；对于只有单个车轮的车辆，所述车轮接地点连线方向定义为车轮前进方向。2.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器控制整车重心的方式为：倾斜整车。3.如权利要求2所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制角动量装置输出沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。4.如权利要求2所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体还包括可调节的气动舵面或者可调节的气动喷口，所述气动舵面在车辆行进时与空气的相对运动产生气动力，所述气动喷口由于涡轮或者扇叶的旋转而喷出或者吸入气体产生气动力，所述控制器倾斜整车的方式为：通过控制车辆气动舵面产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，或者通过控制气动喷口的气动力产生沿车轮接地点连线方向上的力矩，从而倾斜整车。5.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体还包括配重单元和配重位置调节装置，所述配重位置调节装置至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上能够调节所述配重单元的位置，所述控制器控制整车重心的方式为：通过所述配重位置调节装置，至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制配重单元相对于车体的位置。6.如权利要求5所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述配重单元为所述角动量装置。7.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车体包括底盘和位于底盘之上的车身，底盘具有移动车身相对于底盘位置的功能，所述控制器控制整车重心的方式为：至少在垂直于车轮接地点连线的水平方向上控制所述车身相对于底盘的位置，从而控制整车重心。8.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述车轮数目不少于两个，且所有车轮都具有转向能力；所述控制器控制整车重心的方式为：控制所有车轮转向同
\t一方向，车轮所在面与车轮接地点连线的夹角非零，控制器通过控制车轮的转动方向或者转动速度，对整车施加力矩。9.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包括姿态敏感器，所述姿态敏感器包括陀螺仪或者角速度计，所述姿态敏感单元至少检测整车沿车轮接地点连线方向上的姿态或者角速度。10.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包括加速度计，所述加速度计至少检测整车沿垂直于车轮接地点连线的水平方向上的加速度。11.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包含车轮转速计，所述车轮转速计检测车轮的旋转速度，用于控制器对车辆行进速度的计算。12.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述运动状态敏感单元包含车轮扭转角度计，所述车轮扭转角度计检测车轮转轴方向，用于控制器对车辆转弯半径的计算。13.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含控制力矩陀螺(CMG)，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向(即角动量方向)或者进动速度而产生力矩控制车体姿态；所述控制力矩陀螺(CMG)至少在某一垂直于车轮接地点连线的方向上有自由度。14.如权利要求13所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含两个控制力矩陀螺(CMG)，两个控制力矩陀螺(CMG)的角动量大小相同，两个控制力矩陀螺(CMG)都通过可以旋转的框架与车体联接，通过对框架的旋转可以改变控制力矩陀螺的转轴方向(即角动量方向)，两个控制力矩陀螺(CMG)的框架的旋转方向平行但方向相反，且框架旋转方向与车轮接地点连线方向垂直，两个控制力矩陀螺(CMG)共同提供沿车轮接地点连线方向的解耦的力矩输出能力，所述控制器通过控制所述控制力矩陀螺(CMG)的框架角度或者框架旋转速度而产生力矩控制车体姿态。15.如权利要求13所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴方向有三个自由度，即所述控制力矩陀螺(CMG)的转轴可以在空间所有方向上进动。16.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含定轴反作用飞轮，该定轴反作用飞轮的旋转轴沿车轮接地点连线方向，所述控制器通过控制所述定轴反作用飞轮的旋转速度和旋转方向而产生力矩控制车体姿态。17.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述角动量装置包含压头可调的液体泵单元、液体管路、位于液体管路中的液体，所述液体管路形成闭合回路，该闭合回路在垂直于车轮接地点连线方向的平面上投影面积不为零，所述控制器通过控制所述液体泵单元的输出压头，控制液体在液体管路中的流动速度和流动方向，从而产生力矩控
\t制车体姿态。18.如权利要求1所述的一种无轮距车辆控制系统，其特征在于：所述控制器控制整车重心的具体方式为：控制整车重心与车轮接...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟科，
申请(专利权)人：徐伟科，
类型：发明
国别省市：北京;11