CN102275507A - 自平衡两轮车电刹车装置 - Google Patents

Abstract

本发明的自平衡两轮车电刹车装置，该装置包括第一发电机、第二发电机、第一负载、第二负载、第一晶体三极管、第二晶体三极管、开关和数字电源，所述第一发电机和第二发电机的转轴分别与两个车轮的电机轴固定连接；所述第一晶体三极管的集电极与所述第一发电机的正极相连接，所述第一负载的两端分别与所述第一发电机的负极和所述第一晶体三极管的发射极相连接，所述第一晶体三极管的基极依次通过一电阻和所述开关与所述数字电源连接；所述第二晶体三极管、第二发电机和第二负载采用与上述第一晶体三极管、第一发电机和第一负载相同的连接方式。通过本发明，可以缩短刹车距离，同时实现了有效、平稳地刹车，使得自平衡两轮车的驾驶更安全。

Description

自平衡两轮车电刹车装置

技术领域

本发明涉及一种自平衡两轮车，特别涉及一种自平衡两轮车电刹车装置。

背景技术

自平衡两轮车作为一种新颖的智能交通工具，通过操作人员的重心的改变来来实现车体的加减速功能，达到了一种人车合一的效果，融合了娱乐与代步的双重功能。

自平衡两轮车一种两轮式左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。图1为自平衡两轮车的示意图，如图所示，自平衡两轮车包括车体10和分别安装在车体10两侧的两个带电机的车轮11、12，以及安装在车体10上的操纵杆13，两个车轮11、12各自带有一个电机21、22。自平衡两轮车是利用倒立摆控制原理，使车体10始终保持平衡。在车体内嵌入式CPU的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过建立的系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个电机21、22的转矩，使车体10持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。

当需要车体10前进时，驾驶者向前倾斜，水平仪传感器或角度传感器得到倾斜角度信号送入CPU，CPU根据此信号并综合左右车轮11、12转速传感器及加速度传感器的信号算出所需力矩，控制车轮11、12转动前进并始终保持车体平衡。倾角越大，加速越快。需要刹车或后退时，驾驶者向后倾斜，CPU同样可以根据传感器信号算出所需反力矩控制车体10运动状态。需要转弯时，驾驶者通过操纵杆13给出一个信号，CPU根据计算得出左右车轮11、12的不同力矩大小，可以控制车体转动到所需角度。

自平衡两轮车一般不设置专门的刹车系统，而是依靠驾驶者重心的改变来实现加减速功能，在行驶中，驾驶者出于自身的安全保护意识，重心都是大幅前倾，当遇到意外情况需要紧急刹车时，由于惯性作用和反应滞后，驾驶者很难在短时间内大幅度调整重心，导致刹车距离很长，刹车距离一般为10米左右。而如果采用其他车辆的刹车系统，如盘式或蝶式刹车，不但结构复杂，而且在刹车过程中，会影响平衡控制，甚至翻车。目前市场上的自平衡两轮车，包括两轮机器人，都存在刹车距离过长的问题，从而影响驾驶者和路人的人身安全，严重制约了该车的市场推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种自平衡两轮车电刹车装置，实现有效、平稳地刹车。

本发明的自平衡两轮车电刹车装置，包括第一发电机、第二发电机、第一负载、第二负载、第一晶体三极管、第二晶体三极管、开关和数字电源，所述第一发电机和第二发电机的转轴分别与两个车轮的电机轴固定连接；所述第一晶体三极管的集电极与所述第一发电机的正极相连接，所述第一负载的两端分别与所述第一发电机的负极和所述第一晶体三极管的发射极相连接，所述第一晶体三极管的基极依次通过一电阻和所述开关与所述数字电源连接；所述第二晶体三极管的集电极与所述第二发电机的正极相连接，所述第二负载的两端分别与所述第二发电机的负极和所述第二晶体三极管的发射极相连接，所述第二晶体三极管的基极依次通过一电阻和所述开关与所述数字电源连接。

所述第一发电机和第二发电机的转轴与两个车轮的电机轴都通过联轴器来连接。

通过本发明的自平衡两轮车电刹车装置，可以缩短刹车距离，同时实现了有效、平稳地刹车，使得自平衡两轮车的驾驶更安全。

附图说明

图1为自平衡两轮车的示意图；

图2为本发明的自平衡两轮车电刹车装置的电路图；

图3为本发明的自平衡两轮车电刹车装置的两个发电机的安装方式示意图。

具体实施方式

图2为本发明的自平衡两轮车电刹车装置的电路图，如图所示，本发明的自平衡两轮车电刹车装置包括第一发电机G1、第二发电机G2、第一负载L1、第二负载L2、第一晶体三极管S1、第二晶体三极管S2、开关K和数字电源，

所述第一晶体三极管S1具有基极、集电极和发射极。所述第一晶体三极管S1的集电极与所述第一发电机G1的正极相连接，所述第一负载L1的两端分别与所述第一发电机G1的负极和所述第一晶体三极管S1的发射极相连接，所述第一晶体三极管S1的基极依次通过一电阻R1和所述开关K与所述数字电源连接。

所述第二晶体三极管S2具有基极、集电极和发射极。所述第二晶体三极管S2的集电极与所述第二发电机G2的正极相连接，所述第二负载L2的两端分别与所述第二发电机G2的负极和所述第二晶体三极管S2的发射极相连接，所述第二晶体三极管S2的基极依次通过一电阻R2和所述开关K与所述数字电源连接。

所述数字电源采用+5V的数字电源。所述第一发电机G1和第二发电机G2的额定功率为20～30W，所述第一负载L1和第二负载L2的电阻为15～25Ω。

为方便驾驶者的操作，开关K安装在操纵杆13，其他元器件安装在车体10内部。

图3为本发明的自平衡两轮车电刹车装置的两个发电机的安装方式示意图。如图所示，本发明的自平衡两轮车电刹车装置的两个发电机即第一发电机G1、第二发电机G2安装在车体10内，所述第一发电机G1和第二发电机G2的转轴分别与车体10两侧的两个带电机21、22的车轮11、12的电机轴固定连接。其连接方式可以通过联轴器41、42来连接。

自平衡两轮车在正常运行时，开关K处于断开状态，则第一晶体三极管S1和第二晶体三极管S2断路，第一发电机G1和第二发电机G2空载，作用在与第一发电机G1和第二发电机G2的转轴连接的电机轴上的力矩很小，可以忽略；

当运行时需要紧急刹车，按下开关K，则第一晶体三极管S1和第二晶体三极管S2导通，所述第一发电机G1、第一晶体三极管S1和第一负载L1构成一回路，所述第二发电机G2、第二晶体三极管S2和第二负载L2构成另一回路，由于第一发电机G1和第二发电机G2的输出电压与转速有关，一开始由于车轮11、12的电机21、22高速运转，第一发电机G1和第二发电机G2的输出电压很高，在第一负载L1和第二负载L2的大小不变的情况下，输出功率也很大，使得第一发电机G1和第二发电机G2施加在车轮11、12电机21、22的电机轴上的反作用力矩也很大，因而起到快速刹车的作用。

随着电机21、22转速的降低，第一发电机G1和第二发电机G2的输出功率也逐渐减小，施加在车轮11、12电机21、22的电机轴上的反作用力矩也逐渐减小。当电机21、22的转速为0时，第一发电机G1和第二发电机G2的输出功率为0，分别施加在车轮11、12电机21、22的电机轴上的反作用力矩也自然消失。

整个刹车过程中，由于第一发电机G1和第二发电机G2施加的力矩与自平衡两轮车的平衡控制需要的力矩方向是一致的，都与其连接的电机21、22旋转方向相反，因而不会影响自平衡两轮车的平衡控制。当电机21、22的转速为0时，第一发电机G1和第二发电机G2的输出功率为0，分别施加在车轮11、12电机21、22的电机轴上的反作用力矩也自然消失，自然过度到正常的平衡控制状态，实现了有效、平稳的刹车控制功能。

本发明的自平衡两轮车电刹车装置的可行性分析如下：假设自平衡两轮车的整车质量(包括操作人员)m＝100kg，刹车最大初始车速v＝20km/h＝5.56m/s，则：整个刹车过程中的平均动能约为：

平均到每个电机轴上的平均动能Eav＝E/2＝387J。如果选择每个发电机的额定功率P为30W，瞬间能提供最大5～8倍即150～240W的功率，则最快的刹车时间为t＝E/P＝387/240＝1.6s，这时平均刹车距离L约为L＝1/2v.t＝1/2×5.56×1.6＝4.44m。如果选择的负载和发电机的功率越大，刹车时间越短，刹车距离也越小。

Claims (3)

1.一种自平衡两轮车电刹车装置，其特征在于，包括第一发电机、第二发电机、第一负载、第二负载、第一晶体三极管、第二晶体三极管、开关和数字电源，

所述第一发电机和第二发电机的转轴分别与两个车轮的电机轴固定连接；

所述第一晶体三极管的集电极与所述第一发电机的正极相连接，所述第一负载的两端分别与所述第一发电机的负极和所述第一晶体三极管的发射极相连接，所述第一晶体三极管的基极依次通过一电阻和所述开关与所述数字电源连接；

所述第二晶体三极管的集电极与所述第二发电机的正极相连接，所述第二负载的两端分别与所述第二发电机的负极和所述第二晶体三极管的发射极相连接，所述第二晶体三极管的基极依次通过一电阻和所述开关与所述数字电源连接。

2.如权利要求1所述的自平衡两轮车电刹车装置，其特征在于，所述第一发电机和第二发电机的转轴与两个车轮的电机轴都通过联轴器来连接。

3.如权利要求1所述的自平衡两轮车电刹车装置，其特征在于，所述第一发电机和第二发电机的额定功率为20～30W，所述第一负载和第二负载的电阻为15～25Ω。

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