本发明专利技术属于交通工具领域，公布了一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括车轮、轮毂电机、踏板、支架、可伸缩连杆、调速转把、驱动模块和电源模块，还包括控制模块、高精度测速模块和姿态测量模块。独轮代步车的速度通过转动右手把调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，前后方向上的平衡及速度控制，由姿态平衡控制量和速度控制量进行叠加得到的综合控制量经驱动模块驱动轮毂电机实现。本发明专利技术的速度测量模块由于增加了同轴齿轮和加速齿轮，使测速精度大大提高，解决了独轮车在低速运行时速度和位置信息测量精度难以满足要求的问题，实现了独轮代步车高精度的前后方向姿态自平衡控制和速度控制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于交通工具领域，尤其涉及一种高精度调速前后自平衡独轮代步车。
技术介绍
独轮车作为一种新兴的代步工具，具有体积小、成本低、使用便捷等优点，随着机器人技术应用水平的提高，对智能交通的要求也越来越高，对于自平衡独轮车的要求不仅停留在姿态平衡控制上，而是需要有高精度的稳定的速度控制。申请号为200810179658.8的专利技术专利“前后向自平衡式电动车”，通过对独轮车前后方向上俯仰倾角和角速度的测量、补偿，对独轮车进行前后姿态平衡控制，但却未能对独轮车的速度进行控制。而作为一种交通工具，独轮车在实际应用时准确的速度控制是非常最重要的，这就对车体的精准测速提出了很高的要求。通常对于电动车的速度测量米用霍尔传感器测速。霍尔传感器一般由霍尔兀件和磁钢组成。霍尔是半导体磁敏器件，当霍尔元件和磁钢相对运动时产生信号脉冲，检测单位时间霍尔输出的脉冲数(频率)，乘以车轮周长即可得到速度(米/秒)。根据磁性转盘上磁极数目，就可以确定传感器测量转速的分辨率。但由于磁极数量和霍尔元件数量的限制，车轮每转一周得到的脉冲数有限，当转速较低时，测速误差较大，很难满足速度控制的要求。我们曾在2012年申请过一个名为“一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车”的专利，申请号为201210217335.X。专利中描述行走轮同轴连接驱动电机，行走轮测速编码器与行走轮同轴连接。首先，电机与车轮同轴连接的结构设计在使用时电机易受外界磕碰而损坏。另外，测速编码器直接与车轮同轴连接，由于测量精度直接受到光电脉冲编码器本身的分辨率以及内部码盘的分度精度的影响，而独轮代步车是一种低速运动工具，单位时间所产生的脉冲信号数量有限，因此，该专利技术虽然具有速度控制功能，但测速精度却难以满足高精度速度控制的要求。提高编码器的分辨率虽然可以减小测量误差，但成本往往是随分辨率的增加而成倍增加，在具体使用中受到很大的限制。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，为了既能实现独轮代步车良好的前后自平衡能力，又能在低成本的前提下实现良好的速度控制，本专利技术提供了一种高精度调速前后自平衡独轮代步车。本专利技术涉及一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，代步车的速度通过转动右手把(内装线性霍尔调速部件)粗略调整，左右方向的平衡靠人自身的平衡能力控制，速度的精确控制及前后方向上的平衡由电气控制系统完成，电气控制系统的电路组成框图如图3所示。姿态测量模块分别测得独轮车的角加速度和角速度信息，反馈至控制模块得到姿态平衡控制量Ubal ;轮毂电机驱动车轮上安装的速度测量模块测量代步车的车速，反馈至控制模块得到速度控制量IV将姿态平衡控制量Ubal和速度控制量Uv进行叠加融合，得到电机驱动的综合控制量uD，通过驱动模块驱动轮毂电机，实现高精度的独轮代步车前后方向姿态自平衡控制和速度控制。姿态平衡控制环节需根据姿态测量模块测得的俯仰角度和角速度信息对姿态倾角补偿。由于独轮车的姿态检测信号中不可避免地存在噪声信号，使积分器消除静态误差的同时产生控制误差，因此，PiD控制中去掉积分环节，选用非线性ro算法控制。姿态平衡控制量Ubal由非线性ro算法按下式得到:权利要求1.一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括:车轮(1)，轮毂电机(3)，踏板(2)，踏板连接轴，支架，可伸缩连杆(7)，调速转把(14)，驱动模块(11)，和电源模块(9);其特征在于还包括:控制模块(12)、速度测量模块(10)和姿态测量模块(13);其中， 所述控制模块(12)，安装在支架上槽(6)内，用于产生电机的综合控制量uD(t);其核心控制器为一 DSP芯片，包括:捕获速度测量模块中编码器脉冲的捕获单元CAP_QEP，将调速转把(14)输出的速度模拟信号转换为数字信号的ADC单元，产生综合控制信号uD(t)(PWM脉宽调制波)的事件管理器EV单元，调试过程中与上位机通信(SCI协议)的异步串行通信接口单元和与接收姿态测量模块(ADIS16300)通信(SPI协议)的同步串行接口单元； 所述速度测量模块(10)，安装在支架右侧槽(5)内，用于精确测量电机的转速；包括:同轴齿轮a (16)，加速齿轮b (17)，光栅码盘(18)和增量式光电编码器(19);同轴齿轮a(16)与轮毂电机(3)中心轴同轴连接，同轴齿轮a (16)与加速齿轮b (17)啮齿，光栅码盘(18)与加速齿轮b (17)同轴连接；车轮(I)转动时，带动同轴齿轮a (16)同轴旋转，同轴齿轮a (16)通过加速齿轮b (17)带动光栅码盘(18)与加速齿轮b (17)同轴旋转，增量式光电编码器(19)输出脉冲信息并送至控制模块(12); 所述姿态测量模块(13)，由加速度计和陀螺仪组成，安装在支架上槽(6)内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信息，并实时反馈给控制模块(12)，经过滤波和计算处理后得到对代步车前后方向(俯仰角)进行平衡控制所需的、精确的角度和角速度信息。2.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述独轮代步车的速度通过转动右手把(内装线性霍尔调速部件)粗略调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，速度的精确控制及前后方向上的平，由控制模块(12 )得到的综合控制量uD (t)经驱动模块(11)驱动轮毂电机(3 )实现。3.根据权利要求1或2所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述控制模块(12)得到的综合控制量uD (t)由姿态平衡控制量Ubal和行进速度控制量Uv按下式叠加而成: Ud (t) = Ubal (t)+Uv ⑴ 姿态平衡控制量Ubal可由非线性ro算法按下式得到:4.根据权利要求1所述的一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，其特征在于，所述速度测量模块使光电码盘的分辨率提高到a/b倍，使测速精度也提高到将近a/b倍，a、b分别为同轴齿轮a (16)与加 速齿轮b (17)的齿数。全文摘要本专利技术属于交通工具领域，公布了一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括车轮、轮毂电机、踏板、支架、可伸缩连杆、调速转把、驱动模块和电源模块，还包括控制模块、高精度测速模块和姿态测量模块。独轮代步车的速度通过转动右手把调整，左右方向的平衡靠人体自身的平衡能力控制，前后方向上的平衡及速度控制，由姿态平衡控制量和速度控制量进行叠加得到的综合控制量经驱动模块驱动轮毂电机实现。本专利技术的速度测量模块由于增加了同轴齿轮和加速齿轮，使测速精度大大提高，解决了独轮车在低速运行时速度和位置信息测量精度难以满足要求的问题，实现了独轮代步车高精度的前后方向姿态自平衡控制和速度控制。文档编号B62K11/00GK103183088SQ20131012981公开日2013年7月3日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日专利技术者阮晓钢, 马圣策, 于乃功, 朱晓庆, 孙荣毅, 于淼淼, 张晓平, 魏若岩 申请人:北京工业大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高精度调速前后自平衡独轮代步车，包括：车轮（1），轮毂电机（3），踏板（2），踏板连接轴，支架，可伸缩连杆（7），调速转把（14），驱动模块（11），和电源模块（9）；其特征在于还包括：控制模块（12）、速度测量模块（10）和姿态测量模块（13）；其中，所述控制模块（12），安装在支架上槽（6）内，用于产生电机的综合控制量uD(t)；其核心控制器为一DSP芯片，包括：捕获速度测量模块中编码器脉冲的捕获单元CAP_QEP，将调速转把（14）输出的速度模拟信号转换为数字信号的ADC单元，产生综合控制信号uD(t)（PWM脉宽调制波）的事件管理器EV单元，调试过程中与上位机通信（SCI协议）的异步串行通信接口单元和与接收姿态测量模块（ADIS16300）通信（SPI协议）的同步串行接口单元；所述速度测量模块（10），安装在支架右侧槽（5）内，用于精确测量电机的转速；包括：同轴齿轮a（16），加速齿轮b（17），光栅码盘（18）和增量式光电编码器（19）；同轴齿轮a（16）与轮毂电机（3）中心轴同轴连接，同轴齿轮a（16）与加速齿轮b（17）啮齿，光栅码盘（18）与加速齿轮b（17）同轴连接；车轮（1）转动时，带动同轴齿轮a（16）同轴旋转，同轴齿轮a（16）通过加速齿轮b（17）带动光栅码盘（18）与加速齿轮b（17）同轴旋转，增量式光电编码器（19）输出脉冲信息并送至控制模块（12）；所述姿态测量模块（13），由加速度计和陀螺仪组成，安装在支架上槽（6）内，用于测量独轮车的角加速度和角速度信息，并实时反馈给控制模块（12），经过滤波和计算处理后得到对代步车前后方向（俯仰角）进行平衡控制所需的、精确的角度和角速度信息。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，马圣策，于乃功，朱晓庆，孙荣毅，于淼淼，张晓平，魏若岩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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