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CN106020181A - 一种基于重力重心检测的四轮平衡车 - Google Patents

一种基于重力重心检测的四轮平衡车 Download PDF

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CN106020181A
CN106020181A CN201610159795.XA CN201610159795A CN106020181A CN 106020181 A CN106020181 A CN 106020181A CN 201610159795 A CN201610159795 A CN 201610159795A CN 106020181 A CN106020181 A CN 106020181A
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wheel
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曾义强
刘耀金
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Shenzhen Talu Technology Co Ltd
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Shenzhen Talu Technology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及平衡车领域，提供一种基于重力重心检测的四轮平衡车，包括车体、控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块；所述控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块机械设置与车体上；所述控制模块用于接收重力检测模块重力信号，进而控制动力轮模块行进或转向；所述动力轮模块位于踏板的下方，包括四个动力轮，用于接收控制模块动力信号，驱动所述四轮平衡车行进或转向；所述重力检测模块位于踏板下方，用于检测踏板重力；所述重力检测模块包括四个重力传感器，位于踏板下方的四个方位；设计简单，控制精度高，稳定性好，操作简单，适用于各类人群。

Description

一种基于重力重心检测的四轮平衡车
技术领域
本发明涉及平衡车领域，特别涉及一种基于重力重心检测的四轮平衡车。
背景技术
传统的平衡车一般采用两轮，通过陀螺仪检测车体状态，进而通过控制装置驱动伺服电机或者步进电机调整车辆平衡及识别车辆行进操作，该类平衡车无论对于车体平衡的调整设计及车体行进及转向设计的复杂度都比较高，且造成车辆成本高，车辆能源消耗也高。
部分四轮平衡车方案控制精度差、稳定性不好、存在安全隐患、适用人群受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于重力重心检测的四轮平衡车，旨在简化平衡车的平衡设计及行进、转向设计。
本发明的技术方案如下：
一种基于重力重心检测的四轮平衡车，包括车体、控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块；
所述控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块机械设置与车体上；
所述控制模块用于接收重力检测模块重力信号，进而控制动力轮模块行进或转向；
所述动力轮模块位于踏板的下方，包括四个动力轮，用于接收控制模块动力信号，驱动所述四轮平衡车行进或转向；
所述重力检测模块位于踏板下方，用于检测踏板重力；所述重力检测模块包括四个重力传感器，位于踏板下方的四个方位；
所述重力检测模块针对踏板重力检测为：
设定检测平面，在检测平面设定所述四轮平衡车行进方向为X轴正向，垂直X轴为Y轴，所述四轮平衡车右转方向为Y轴正向；
设定检测平面重心位置原点，所述检测平面重心位置原点为所述检测平面坐标原点；
重力检测模块四个传感器检测踏板四个方向重力并反馈给控制模块；
控制模块接收重力模块四个传感器反馈所述踏板四个方向的重力，并计算出重力重心在检测平面的坐标位置；重力重心在Y轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车行进，重力重心在X轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车右转，重力重心在X轴负向则控制模块控制所述四轮平衡车左转。
优选地，控制模块接收重力模块四个传感器反馈所述踏板四个方向的重力，并计算出重力重心在检测平面的坐标位置；重力重心在Y轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车行进，重力重心在X轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车右转，重力重心在X轴负向则控制模块控制所述四轮平衡车左转；
具体为：所述重力检测模块针对踏板重力检测为：以踏板平面为基础设定一个平面坐标，以所述四轮平衡车行进方向为Y轴正方向，以垂直行进方向右侧方向Y轴为X轴正方向；设定（X,Y）坐标象限为第一象限，（-X,Y）坐标象限为第二象限，（-X,-Y）坐标象限为第三象限，（X,-Y）坐标象限为第四象限；四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A（A，A），B（-B，B），C（-C，-C），D（D，-D）；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X = A-B-C+D，Y = A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转；
优选地，所述重心向量：
Center(X,Y) = ((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X = A-B-C+D，Y = A+B-C-D；
当Center(X,Y)坐标位于所述第三、第四象限时，即Y<0时，所述四轮平衡车刹车，动力轮模块停止转动。
更具体地，以所述重心位置原点为圆心，以R为半径在检测平面设定一个圆周范围，半径R可设置；
当Center(X,Y)坐标位于所述圆周范围内时，所述四轮平衡车刹车，动力轮模块停止转动；
优选地，所述四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A（A，A），B（-B，B），C（-C，-C），D（D，-D）；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X = A-B-C+D，Y = A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转；
具体为：所述传感器C、D在第三、第四象限中的向量映射可记为C(0、0)，D（0、0），即可以省略掉传感器C、D；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B),(A+B))
其中，X = A-B，Y = A+B；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
优选地，当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转；
具体为：设定Center(X,Y)坐标中X、Y的坐标值与X轴的夹角为θ，设定控制模块控制四轮平衡车的转向角度与θ对应，则所述中的y、x为Center(X,Y)中的X、Y坐标值；控制模块根据计算得到的θ角度值控制所述四轮平衡车转向。
更具体地，所述四轮平衡车的行进速度V为设定为比例对应Y轴坐标绝对值的速度，即V＝αY,α为对应的比例系数；
所述四轮平衡车的转向速度为比例对应如下V的速度:
α为对应的比例系数。
优选地，所述动力轮包括：两个驱动轮、两个随动轮，两个驱动轮在延所述四轮平衡车行进方向上位于两个随动轮的前方；所述驱动轮由电机驱动，所述随动轮为万向轮；
所述控制模块控制两个驱动轮行进或转向，进而控制所述四轮平衡车行进或转向；具体为控制模块控制两个驱动轮的速度，所述速度一致则四轮平衡车行进，所述速度有差异则所述四轮平衡车转向。
更具体地，所述驱动轮可为步进电机或伺服电机驱动。
优选地，所述四轮平衡车还包括减震模块，位于重力检测模块四个重力传感器周围。
有益效果
本发明对平衡车的设计采用两个驱动轮与两个随动轮配合的四轮平衡方案，大大简化了平衡车的平衡设计，且采用重力检测的方式来识别平衡车行进及转向指令，设计简单，控制精度高，稳定性好，操作也更为简单，适用于各类人群。
附图说明
图1为基于重力检测的四轮平衡车示意图a;
图2为基于重力检测的四轮平衡车示意图b;
图3为基于重力检测的四轮平衡车重力重心计算原理示意图；
图4为基于重力检测的四轮平衡车控制原理流程图。
具体实施方式
实施方式一：
如图1、2所示，一种基于重力重心检测的四轮平衡车，包括车体14、控制模块23、踏板11、动力轮模块、重力检测模块。
所述控制模块23、踏板11、动力轮模块、重力检测模块机械设置与车体14上。
所述控制模块23用于接收重力检测模块重力信号，进而控制动力轮模块行进或转向。
所述动力轮模块位于踏板11的下方，包括四个动力轮，用于接收控制模块23动力信号，驱动所述四轮平衡车行进或转向；所述动力轮包括：两个驱动轮（其中一个驱动轮如图1、2所示12）、两个随动轮（其中一个随动轮如图1、3所示13），两个驱动轮在延所述四轮平衡车行进方向上位于两个随动轮的前方；所述驱动轮由电机驱动，所述随动轮为万向轮。
所述控制模块控制两个驱动轮行进或转向，进而控制所述四轮平衡车行进或转向；具体为控制模块控制两个驱动轮的速度，所述速度一致则所述四轮平衡车行进，所述速度有差异则所述四轮平衡车转向。
所述重力检测模块位于踏板11下方，用于检测踏板11重力；所述重力检测模块包括四个重力传感器（重力传感器其中之一如图2所示21），位于踏板11下方的四个方位。
如图4所示，所述重力检测模块针对踏板重力检测为：
设定检测平面，在检测平面设定所述四轮平衡车行进方向为X轴正向，垂直X轴为Y轴，所述四轮平衡车右转方向为Y轴正向。
设定检测平面重心位置原点，所述检测平面重心位置原点为所述检测平面坐标原点。
重力检测模块四个传感器检测踏板四个方向重力并反馈给控制模块23。
控制模块23接收重力模块四个传感器反馈所述踏板四个方向的重力读数，并计算出重力重心在检测平面的坐标位置；重力重心在Y轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车行进，重力重心在X轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车右转，重力重心在X轴负向则控制模块控制所述四轮平衡车左转；进一步计算出两个驱动轮的速度值；控制模块控制驱动轮行进或转向，并将监控到的驱动轮行进或转向结果与读取到的重力传感器读数进行反馈对比。
如图3所示具体实现方法为：所述重力检测模块针对踏板11重力检测为：以踏板平面为基础设定一个平面坐标，以所述四轮平衡车行进方向为Y轴正方向，以垂直行进方向右侧方向Y轴为X轴正方向；设定（X,Y）坐标象限为第一象限，（-X,Y）坐标象限为第二象限，（-X,-Y）坐标象限为第三象限，（X,-Y）坐标象限为第四象限；四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A（A，A），B（-B，B），C（-C，-C），D（D，-D）；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X = A-B-C+D，Y = A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
作为一个安全限制，防止操作人员踩踏控制所述四轮平衡车时车辆翻倒，设定一个安全保护：当Y<0时所述动力轮模块停止动作；以所述重心位置原点为圆心，以R为半径在检测平面设定一个圆周范围，半径R可设置，当Center(X,Y)坐标位置位于所述圆周范围内时，所述动力轮模块停止动作。
实施方式二：
实施方式二与实施方式一的区别在于:实施方式一中所述四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A（A，A），B（-B，B），C（-C，-C），D（D，-D）；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X = A-B-C+D，Y = A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
具体为：所述重力传感器C、D在第三、第四象限中的向量映射可记为C(0、0)，D（0、0），即可以省略掉传感器C、D，这样所述重力检测模块只包括两个重力传感器A、B,达到节约成本和降低控制难度的目的；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y) = ((A-B),(A+B))
其中，X = A-B，Y = A+B；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
实施方式一与实施方式二中所述四轮平衡车转向角度设置为：设定Center(X,Y)坐标中X、Y的坐标值与X轴的夹角为θ，设定控制模块控制四轮平衡车的转向角度与θ对应，则 所述中的y、x为Center(X,Y)中的X、Y坐标值；控制模块根据计算得到的θ角度值控制所述四轮平衡车转向。
实施方式一与实施方式二中所述四轮平衡车行进及转向速度设定为：所述四轮平衡车的行进速度V为设定为比例对应Y轴坐标绝对值的速度，即V＝αY,α为对应的比例系数；所述四轮平衡车的转向速度为比例对应如V的速度:α为对应的比例系数。
优选地，所述驱动轮可为步进电机或伺服电机驱动，用于控制模块对驱动轮行进或转向的精确控制。
优选地，所述四轮平衡车还包括减震模块，位于重力检测模块四个重力传感器周围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变形，而且性能或用途相同，都应视为本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：包括车体、控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块；
所述控制模块、踏板、动力轮模块、重力检测模块机械设置与车体上；
所述控制模块用于接收重力检测模块重力信号，进而控制动力轮模块行进或转向；
所述动力轮模块位于踏板的下方，包括四个动力轮，用于接收控制模块动力信号，驱动所述四轮平衡车行进或转向；
所述重力检测模块位于踏板下方，用于检测踏板重力；所述重力检测模块包括四个重力传感器，位于踏板下方的四个方位；
所述重力检测模块针对踏板重力检测为：
设定检测平面，在检测平面设定所述四轮平衡车行进方向为X轴正向，垂直X轴为Y轴，所述四轮平衡车右转方向为Y轴正向；
设定检测平面重心位置原点，所述检测平面重心位置原点为所述检测平面坐标原点；
重力检测模块四个传感器检测踏板四个方向重力并反馈给控制模块；
控制模块接收重力模块四个传感器反馈所述踏板四个方向的重力，并计算出重力重心在检测平面的坐标位置；重力重心在Y轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车行进，重力重心在X轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车右转，重力重心在X轴负向则控制模块控制所述四轮平衡车左转。
2.如权利要求1所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述控制模块接收重力模块四个传感器反馈所述踏板四个方向的重力，并计算出重力重心在检测平面的坐标位置；重力重心在Y轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车行进，重力重心在X轴正向则控制模块控制所述四轮平衡车右转，重力重心在X轴负向则控制模块控制所述四轮平衡车左转；
具体为：所述重力检测模块针对踏板重力检测为：以踏板平面为基础设定一个平面坐标，以所述四轮平衡车行进方向为Y轴正方向，以垂直行进方向右侧方向Y轴为X轴正方向；设定(X,Y)坐标象限为第一象限，(-X,Y)坐标象限为第二象限，(-X,-Y)坐标象限为第三象限，(X,-Y)坐标象限为第四象限；四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A(A，A)，B(-B，B)，C(-C，-C)，D(D，-D)；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y)＝((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X＝A-B-C+D，Y＝A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
3.如权利要求2所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述四个重力传感器分布在四个象限中，依四个象限顺序依次为重力传感器A、B、C、D，所述四个重力传感器读数的绝对值依次为A、B、C、D,所述四个传感器在四个象限的向量映射记为A(A，A)，B(-B，B)，C(-C，-C)，D(D，-D)；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y)＝((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X＝A-B-C+D，Y＝A+B-C-D；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转；
具体为：所述传感器C、D在第三、第四象限中的向量映射可记为C(0、0)，D(0、0)，即可以省略掉传感器C、D；则重心向量可通过计算得到：
Center(X,Y)＝((A-B),(A+B))
其中，X＝A-B，Y＝A+B；当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转。
4.如权利要求2所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述重心向量；
Center(X,Y)＝((A-B-C+D),(A+B-C-D))
其中，X＝A-B-C+D，Y＝A+B-C-D；
当Center(X,Y)坐标位于所述第三、第四象限时，即Y<0时，所述四轮平衡车刹车，动力轮模块停止转动。
5.如权利要求2或3或4所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：以所述重心位置原点为圆心，以R为半径在检测平面设定一个圆周范围，半径R可设置；
当Center(X,Y)坐标位于所述圆周范围内时，所述四轮平衡车刹车，动力轮模块停止转动。
6.如权利要求2或3或4所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：当Y>0时所述四轮平衡车加速；当X>0时所述四轮平衡车右转，X<0时所述四轮平衡车左转；
具体为：设定Center(X,Y)坐标中X、Y的坐标值与X轴的夹角为θ，设定控制模块控制四轮平衡车的转向角度与θ对应，则所述中的y、x为Center(X,Y)中的X、Y坐标值；控制模块根据计算得到的θ角度值控制所述四轮平衡车转向。
7.如权利要求2或3或4所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述四轮平衡车的行进速度V为设定为比例对应Y轴坐标绝对值的速度，即V＝αY,α为对应的比例系数；
所述四轮平衡车的转向速度为比例对应如下V的速度:
α为对应的比例系数。
8.如权利要求1或2或3所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述动力轮包括：两个驱动轮、两个随动轮，两个驱动轮在延所述四轮平衡车行进方向上位于两个随动轮的前方；所述驱动轮由电机驱动，所述随动轮为万向轮；
所述控制模块控制两个驱动轮行进或转向，进而控制所述四轮平衡车行进或转向；具体为控制模块控制两个驱动轮的速度，所述速度一致则所述四轮平衡车行进，所述速度有差异则所述四轮平衡车转向。
9.如权利要求8所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述驱动轮可为步进电机或伺服电机驱动。
10.如权利要求1或2或3所述基于重力重心检测的四轮平衡车，其特征在于：所述四轮平衡车还包括减震模块，位于重力检测模块四个重力传感器周围。
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