一种车辆自平衡系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种车辆自平衡系统及其控制方法，包括电池组、传感器、控制器、稳定器，其中稳定器包括：电动机、基座、转子盘、轴承、电动机转轴，稳定器固定在车身上，转子盘与电动机转轴固定连接，电动机固定在稳定器的基座上。本发明专利技术利用稳定器施加在车身上的控制力矩来调节车辆的平衡。原理是当车身倾斜时，传感器将车身倾斜信号反馈给控制器，控制器控制稳定器的电动机旋转方向和输出转矩，电动机带动转子盘旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘对电动机产生大小相同、方向相反的反作用力矩，将此反作用力矩作为控制力矩作用在车身上，使车辆保持平衡。

A vehicle self balancing system and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种车辆自平衡系统及其控制方法
本专利技术涉及车辆自平衡系统，具体涉及一种异轴两轮自平衡车的自平衡控制。
技术介绍
随着城市的交通状况日益拥挤，以及人们的环境保护意识不断提高，像自行车、电动自行车这些异轴两轮车在市面上很受欢迎。这类两轮车的特点是两个轮子前后布置、不共轴，在行驶中依靠骑行者控制前轮转角实现动态平衡。但是，在低速和静止状态下这类两轮车很难实现平衡，因此需要设计成敞开式的结构，以便骑行者可以用双脚支撑保持平衡和安全。为此，需要一种车辆自平衡系统，既能兼顾异轴两轮车方便快捷的优点，又能保证舒适安全。目前，国内外解决异轴两轮车自平衡问题采用的是陀螺稳定器原理。该种方法的造价高、耗能大、结构复杂、控制方法实现困难，而且一般需要成对布置陀螺仪以抵消陀螺稳定器对车身竖直方向的转矩。力学上，根据作用力和反作用力原理，车辆向外部施加作用力矩可以得到反作用力矩，将此反作用力矩作为平衡所需的控制力矩能够实现车辆自平衡。所以，根据电动机在低转速也能产生较大转矩这一特点，可以通过增大电动机转子转动惯量，利用转子对电动机的反作用力矩调节车辆平衡。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种利用电动机反作用力矩作为平衡控制力矩的车辆自平衡系统及其控制方法。技术方案：本专利技术的一种车辆自平衡系统及其控制方法，其特征在于包括电池组、传感器、控制器、稳定器；其中稳定器包括：电动机、基座、转子盘、轴承、电动机转轴；电动机固定在基座上，转子盘固定在电动机转轴上，电动机转轴与电动机的转子相连，轴承固定在基座上，轴承的内圈与电动机转轴末端配合；稳定器与车身固定连接，传感器固定在车身上，并通过导线与控制器相连，控制器通过导线与稳定器相连，电池组通过导线与控制器相连。本专利技术中，所述稳定器与车身固连，所述稳定器中的电动机转轴的轴向与车辆前进方向即车长方向相同或者平行。本专利技术中，所述转子盘为轴对称、动平衡结构，用来增大电动机转子的转动惯量。转子盘通过电动机转轴与电动机的转子相连，受到转子的转矩作用。本专利技术中，电池组固定在车身上或者固定在转子盘上起到增加转子转动惯量的作用。本专利技术中，传感器将车身倾斜角度、角速度、车速和前轮转角信号通过导线传输给控制器，控制器采用合适的控制策略调节电动机的旋转方向和输出转矩。本专利技术中，电动机可带动转子盘进行顺时针或逆时针转动，转子盘反作用于电动机，产生沿着电动机转轴的轴向的控制力矩或者相反方向的控制力矩。本专利技术描述了一种车辆自平衡系统及其控制方法，利用所述自平衡系统施加在车架上的控制力矩来调节车辆的平衡。主要是当车辆倾斜时，传感器将车辆倾斜信号反馈给控制器，控制器控制电动机的旋转方向和输出转矩，并带动转子盘旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘对电动机产生大小相同、方向相反的反作用力矩，反作用力矩作为控制力矩施加到车架上使车辆保持平衡。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点，本专利技术所述的一种车辆自平衡系统结构简单，核心稳定器部分为一个电动机和转子盘，转子盘的作用是增大转子的转动惯量，而且电动机的转子和转子盘不需要高速旋转，节省能耗，陀螺效应很小。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图中，电动机1、基座2、转子盘3、轴承4、电动机转轴5。具体实施方式如图1所示，一种车辆自平衡系统及其控制方法，其特征在于包括电池组、传感器、控制器、稳定器；其中稳定器包括：电动机1、基座2、转子盘3、轴承4、电动机转轴5；电动机1固定在基座2上，转子盘3固定在电动机转轴5上，电动机转轴5与电动机1的转子相连，轴承4固定在基座2上，轴承4的内圈与电动机转轴5末端配合；稳定器与车身固定连接，传感器固定在车身上，并通过导线与控制器相连，控制器通过导线与稳定器相连，电池组通过导线与控制器相连。所述稳定器与车身固连，所述稳定器中的电动机转轴5的轴向与车辆前进方向即车长方向相同或者平行。转子盘3为轴对称、动平衡结构，用来增大电动机转子的转动惯量。转子盘3通过电动机转轴5与电动机的转子相连，受到转子的转矩作用。电池组固定在车身上或者固定在转子盘3上起到增加转子转动惯量的作用。传感器将车身倾斜角度、角速度、车速和前轮转角信号通过导线传输给控制器，控制器采用合适的控制策略调节电动机1的旋转方向和输出转矩。本专利技术中，电动机1可带动转子盘3进行顺时针或逆时针转动，转子盘3反作用于电动机1，产生沿着电动机转轴5的轴向的控制力矩或者相反方向的控制力矩。本专利技术具体工作原理和控制方法是：当车辆启动后，传感器将车身倾斜角度、角速度、车速和前轮转角信号通过导线传输给控制器，控制器采用合适的控制策略调节电动机1的旋转方向和输出转矩。电动机转轴5将电动机1的转矩作用于转子盘3，并带动转子盘3旋转；根据作用力与反作用力原理，转子盘3对电动机1产生反作用力矩，并传递到车架上，调节车辆倾斜角度，保持平衡。当车辆静止或者直行时，如果车身向左倾倒，传感器将信号发送给控制器，控制器控制电动机1对电动机转轴5施加与车辆前进方向相反的转矩，电动机转轴5带动转子盘3旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘3对电动机1产生与车辆前进方向相同的反作用力矩，此反作用力矩作为控制力矩传递到车身上，导致车身产生旋转，抵抗车辆左倾，使车辆恢复竖直平衡状态。当车辆静止或者直行时，如果车身向右倾倒，传感器将信号发送给控制器，控制器控制电动机1对电动机转轴5施加与车辆前进方向相同的转矩，电动机转轴5带动转子盘3旋转，根据作用力与反作用力原理，转子盘3对电动机1产生与车辆前进方向相反的反作用力矩，此反作用力矩作为控制力矩传递到车身上，导致车身产生旋转，抵抗车辆右倾，使车辆恢复竖直平衡状态。当车辆转弯时，如果向左转弯，传感器将车身倾斜角度、角速度、车速和前轮转角信号发送给控制器，控制器控制电动机1对电动机转轴5施加与车辆前进方向相同的转矩，电动机转轴5带动转子盘3旋转，转子盘3对电动机1产生与车辆前进方向相反的反作用力矩，控制车辆左倾一定角度，使得重力对车辆的力矩抵消转弯向心力对车辆的力矩，保持车辆在左转弯时的稳定平衡。当车辆转弯时，如果向右转弯，传感器将车身倾斜角度、角速度、车速和前轮转角信号发送给控制器，控制器控制电动机1对电动机转轴5施加与车辆前进方向相反的转矩，电动机转轴5带动转子盘3旋转，转子盘3对电动机1产生与车辆前进方向相同的反作用力矩，控制车辆右倾一定角度，使得重力对车辆的力矩抵消转弯向心力对车辆的力矩，保持车辆在右转弯时的稳定平衡。稳定器与车身之间的动力学关系表达式：T1＝J1αT2＝-T1T2＝J2βω＝∫βdtθ＝∫ωdt这里T1为电动机1输出转矩，J1为转子盘3、电动机转轴5和电动机转子总的转动惯量，α为转子盘3的角加速度，T2为转子盘3对电动机1的反作用力矩，即控制力矩，J2为车身侧倾时的转动惯量，β为车身恢复平衡的角加速度，ω为车身恢复平衡时的角速度，θ为车身在控制力矩作用下的转动角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车辆自平衡系统及其控制方法，其特征在于包括电池组、传感器、控制器、稳定器；其中稳定器包括：电动机(1)、基座(2)、转子盘(3)、轴承(4)、电动机转轴(5)；电动机(1)固定在基座(2)上，转子盘(3)固定在电动机转轴(5)上，电动机转轴(5)与电动机(1)的转子相连，轴承(4)固定在基座(2)上，轴承(4)的内圈与电动机转轴(5)末端配合；稳定器与车身固定连接，传感器固定在车身上，并通过导线与控制器相连，控制器通过导线与稳定器相连，电池组通过导线与控制器相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种车辆自平衡系统及其控制方法，其特征在于包括电池组、传感器、控制器、稳定器；其中稳定器包括：电动机(1)、基座(2)、转子盘(3)、轴承(4)、电动机转轴(5)；电动机(1)固定在基座(2)上，转子盘(3)固定在电动机转轴(5)上，电动机转轴(5)与电动机(1)的转子相连，轴承(4)固定在基座(2)上，轴承(4)的内圈与电动机转轴(5)末端配合；稳定器与车身固定连接，传感器固定在车身上，并通过导线与控制器相连，控制器通过导线与稳定器相连，电池组通过导线与控制器相连。


2.根据权利要求1所述的一种车辆自平衡系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：台永鹏，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32