CN105223963A - 一种基于倒立摆控制系统的自平衡代步两用鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，包括鞋体，鞋体上设置有滚轮、控制模块和用于交换双脚姿态信息的无线发射接收模块，滚轮内设置有电机，控制模块包括微处理器、电子陀螺仪和测量滚轮转速的速度传感器，电子陀螺仪、速度传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机相连，无线发射接收模块与微处理器互联。本发明基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋为一种安全可靠的代步工具，既可作为普通鞋子，又能作为一种简单易用、自动移行的可穿戴交通工具和休闲娱乐工具。

Description

一种基于倒立摆控制系统的自平衡代步两用鞋

技术领域

本发明是一种新型环保代步交通工具，涉及倒立摆自动控制，具体讲是一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋。

背景技术

交通工具的发明深刻改变着人类的生活，它们极大地解放了人类的双脚，扩展了人类的活动范围。从某种意义上说，它们加速了人类文明的进程。对于长程旅行，人们可以乘坐飞机、火车、汽车等交通工具，而短途交通工具常见的有自行车、电动自行车等。轮滑鞋和滑板由于其使用有一定难度以及安全性等因素，一般作为娱乐健身工具。本发明提供了一种安全可靠且方便的代步方案，需要步行时可作为普通鞋子，需要工具代步时又能作为一种简单易用的可穿戴交通工具。它不需要额外携带、并能节省人们徒步行走的体力。

倒立摆系统是一个经典的多变量、非线性、不稳定系统,现代控制理论已经有成熟的方法控制其倒立或移动。倒立摆控制方法和技术在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统和航空器对接控制技术等方面具有广阔的应用前景。美国Segway公司将倒立摆控制技术应用于双轮小车，开发出了Segway电动平衡车，而Solowheel公司更是将这种技术应用于单轮车，开发出了电动独轮平衡车。这些产品都获得了很大的成功，但也都有其局限性，比如Segway电动平衡车携带不是很方便，而Solowheel电动独轮平衡车虽然相对Segway电动平衡车较为便携，但其使用需要一定的技巧，需要较长时间的练习才能获得，这限制了这些产品的使用场合和使用人群。

本发明将倒立摆控制技术与人们日常需要穿着的鞋子有机融合，一举解决了便携性和易用性的困难，因为它不用额外携带、能自动行走、省心省力。它不同于传统的轮滑鞋需要使用者自身的平衡能力和控制技巧来控制平衡，自平衡鞋由于具有倒立摆控制系统，它能自动保持身体的平衡，使用者只需调整身体的姿态来控制移动的方向和速度。另外，传统轮滑鞋在行进中需要消耗大量的体力，本发明的自平衡鞋由于有供能系统，身体行进时消耗的体力极少。

我们可以设想在大型商场中使用本发明的情形，由于商场很大，徒步逛商场会消耗大量体力，极大降低购物的愉悦体验，而穿着自平衡鞋的购物者却能节省大量体力，在同一楼层可以用它代步，在上下楼时可以作为普通鞋子走楼梯。

发明内容

本发明目的是提高代步交通工具的便携性和易用性，提供一种安全可靠且方便环保的基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，包括鞋体，鞋体上设置有滚轮、控制模块和用于交换双脚姿态信息的无线发射接收模块，滚轮内设置有电机，控制模块包括微处理器、电子陀螺仪和测量滚轮转速的速度传感器，电子陀螺仪、速度传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机相连，无线发射接收模块与微处理器互联。

进一步地，所述控制模块还包括用于测量鞋体与地面倾斜角度的角度传感器，角度传感器与微处理器的输入端相连。

进一步地，所述滚轮上设置有滚轮伸缩机构。

进一步地，所述速度传感器为光电码盘或光电管。

进一步地，所述无线发射接收模块为红外模块或蓝牙模块。

进一步地，所述自平衡电动独轮车还包括电能回收模块，电能回收模块与供电电池相连。

本发明基于倒立摆控制系统的自平衡代步两用鞋，控制模块通过控制电机实现人体自平衡，并根据人体的姿态向各个方向自动运动。无线发射接收模块可以交换双脚的姿态信息，使控制模块能够协同两只脚上电机的工作。人体与鞋子整体构成一个倒立摆系统，控制模块能控制倒立摆直立行走。控制模块具有检测人体姿态的传感器，能检测人体的实时姿态，同时还能接收并处理电机的工作状态、速度及另一只脚的姿态信息，使双脚协同运动。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明基于倒立摆控制系统的自平衡代步两用鞋,将倒立摆控制技术与人们日常需要穿着的鞋子有机融合，克服了普通代步工具便携性和易用性的困难。它利用倒立摆控制系统自动保持身体的平衡，并通过调整身体的姿态来控制移动的方向和速度，即便是腿脚不便的人也能方便使用。本发明拓展了普通代步工具的使用场合和使用人群，提高了代步工具的便携性。

附图说明

图1是本发明基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋的整体结构示意图。

图2是本发明基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋的控制原理示意图。

图中所示：1、鞋体2、滚轮3、电机4、控制模块41、微处理器42、电子陀螺仪43、速度传感器44、角度传感器5、无线发射接收模块6、滚轮伸缩机构7、电能回收模块8、供电电池。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示：一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，包括鞋体1。鞋体1上设置有滚轮2、控制模块4和用于交换双脚姿态信息的无线发射接收模块5。滚轮2内设置有电机3。控制模块4包括微处理器41、电子陀螺仪42和测量滚轮2转速的速度传感器43。电子陀螺仪42、速度传感器43分别与微处理器41的输入端相连，微处理器41的输出端与电机3相连，无线发射接收模块5与微处理器41互联。

本实施例中，控制模块4还包括用于测量鞋体1与地面倾斜角度的角度传感器44，角度传感器44与微处理器41的输入端相连。微处理器41、电子陀螺仪42、速度传感器43以及角度传感器44均设置于控制模块4的主板上。

本实施例中，微处理器41采用型号为STM32的芯片。电子陀螺仪42、速度传感器43以及角度传感器44分别能够实现测量电子陀螺仪42角速度、鞋体1与地面的倾斜角度以及滚轮2转速，并将信号输送到微处理器41中的功能。

本实施例中，滚轮2上设置有滚轮伸缩机构6。通过该滚轮伸缩机构6能够将滚轮2收拢、打开，如此鞋子既能当交通工具使用，又可以当普通鞋子使用，设计新颖，操作方便，实用性强。

本实施例中，鞋体1上还设置有电能回收模块7，电能回收模块7与供电电池8相连。电能回收模块7能将下坡时的势能和刹车时的动能转化成电能，并将电能储存在供电电池8中，以达到增加续航能力的目的。

此外，本发明所涉及到的供电电池8具有较高的储能能力，并具有较小的体积和安全特性，适合安置在鞋体1有限的空间内。涉及到的电机3具有体积小、功率大的优点，能带动滚轮2平稳转动。速度传感器43为光电码盘或光电管，无线发射接收模块5为红外模块或蓝牙模块。

以下为本发明倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋的工作原理：

这里要特别说明的是，一双完整鞋包括左、右两个鞋子，为了更加清楚、直观的描述工作原理，图2中将电机3分成了位于左边鞋子上的左电机3和位于右边鞋子上的右电机3。

如图2所示，控制模块4包括了电子陀螺仪42和速度传感器43。电子陀螺仪42能够输出角速度信号，对角速度信号进行积分能得到角度信号。速度传感器43能输出速度信号，这些信号便是系统最重要的运动状态信息。由于对电子陀螺仪42角速度信号进行积分能得到的角度容易产生漂移误差，我们可利用角度传感器44的信号对其进行互补滤波和卡尔曼滤波得到最终的角度信号。微处理器41对这些运动状态信息进行处理并输出控制信号，控制算法可以是PID控制、模糊PID控制或自适应神经网络模糊控制。微处理器41产生的直立控制信号控制人体和鞋子构成的倒立摆系统的自平衡，速度控制信号控制人体的移动速度，而方向控制信号通过比例控制来控制身体的移动方向。

本发明基于倒立摆控制系统的自平衡代步两用鞋,将倒立摆控制技术与人们日常需要穿着的鞋子有机融合，克服了普通代步工具便携性和易用性的困难。它利用倒立摆控制系统自动保持身体的平衡，并通过调整身体的姿态来控制移动的方向和速度，即便是腿脚不便的人也能方便使用。本发明拓展了普通代步工具的使用场合和使用人群，提高了代步工具的便携性。

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：包括鞋体，鞋体上设置有滚轮、控制模块和用于交换双脚姿态信息的无线发射接收模块，滚轮内设置有电机，控制模块包括微处理器、电子陀螺仪和测量滚轮转速的速度传感器，电子陀螺仪、速度传感器分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与电机相连，无线发射接收模块与微处理器互联。

2.根据权利要求1所述的一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：所述控制模块还包括用于测量鞋体与地面倾斜角度的角度传感器，角度传感器与微处理器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：所述滚轮上设置有滚轮伸缩机构。

4.根据权利要求1所述的一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：所述速度传感器为光电码盘或光电管。

5.根据权利要求1所述的一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：所述无线发射接收模块为红外模块或蓝牙模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于倒立摆控制系统的自平衡两用代步鞋，其特征在于：所述自平衡电动独轮车还包括电能回收模块，电能回收模块与供电电池相连。