一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车，其属于智能平衡车领域，主要解决了通过自动控制实现增强稳定性的功能。本发明专利技术的增稳装置可以搭载于多种平台上，运用角动量守恒原理，当物体的平衡状态改变时，姿态检测装置会发出改变的数据给处理器，处理器将当前的姿态数据与稳定状态时的数据作比较，判断是否在保持物体稳定的误差范围内，当不在误差范围内时，则控制驱动电机旋转，从而带动惯性轮旋转，实现对平衡状态的修正。本装置可用于自动增稳的各项装置中。

Stabilizing device and its algorithm and single wheel car based on the device

The invention discloses a stabilizing device and an algorithm thereof, and a single wheel Trolley Based on the device, belonging to the field of intelligent balancing vehicles, mainly solving the functions of enhancing stability through automatic control. To enhance the stability of the device of the invention can carry on a variety of platforms, using the principle of conservation of angular momentum, when the equilibrium state of object change, attitude detection device sends the changed data to the processor, the processor compares the attitude data and stability of the current state of the data, to judge whether to keep stable within the error range of the object and when it is not in the range of error, the control drive motor to rotate so as to drive the inertia wheel rotation, to modify the equilibrium state. The utility model can be used in various devices for automatically increasing stability.

【技术实现步骤摘要】
一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车
本专利技术涉及智能平衡车领域，具体的说，是涉及一种通过自动检测物体平衡状态并控制物体保持平衡状态的增稳装置。
技术介绍
随着智能生活的到来，各种平衡车逐步出现，如何实现不依靠三个以上的支撑部位而实现物体平衡或者增加稳定性成为技术难题。尤其是独轮车，如何使其不因外力的作用而失衡，这就亟需一种增稳装置来解决问题。现有增稳装置普遍通过增加支撑点的方式实现，对于只有一个支撑点的活动物体，缺乏智能式的稳定调节装置，本方案利用角动量守恒原理，通过自动控制惯性轮转速的方式，实现了对于稳定性的调节。现有方案如申请公布号为CN102815357A的《一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车》通过多种传感器等部件实现了自平衡载人独轮车，其依托行走轮、平衡轮、控制手柄等测速编码器，通过加装加速度传感器和数据融合算法，实现对平衡轮和驱动轮的控制。与其相比，本独轮小车没有控制手柄扭转角度编码器、显示屏等装置，利用更少的装置实现了自平衡独轮车的功能。并且在其基础上增加了水平偏航方向的角度控制，使得独轮车在翻滚，俯仰，偏航三个维度上都实现了可控。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种增稳装置，这种增稳装置可以搭载于需保持平衡的物体上，通过实时检测其现有姿态，与设置的标准姿态进行比对，计算相应误差后向控制连接惯性轮的电机输出相应的矫正力矩，从而实现物体的稳定。该增稳装置主要由惯性轮、驱动电机、微处理器、姿态检测装置、加速度计组成,驱动电机与惯性轮机械上相连接，传导力矩，微处理器分别与驱动电机、姿态检测装置、加速度计在电路上连接。微处理器主要用于进行计算和控制，包含ARM处理器，所述姿态检测装置能够检测承载着惯性轮轮的物体的平衡状态，并发送检测到的数据给处理器，典型的姿态检测装置如陀螺仪。该增稳装置主要是运用角动量守恒原理，当物体的平衡状态改变时，姿态检测装置会发出改变的数据给处理器，处理器将当前的姿态数据与稳定状态时的数据作比较，判断是否在保持物体稳定的误差范围内，当不在误差范围内时，则控制驱动电机旋转，从而带动惯性轮旋转，运用角动量守恒原理，通过控制惯性轮的转速来实现对平衡状态的修正，从而实现增稳的目的。具体原理：转向原理为，利用水平方向角动量守恒，控制惯性轮旋转来控制水平的转矩；前进后退原理为，通过改变小车俯仰方向的倾角来控制前后方向的加速度，进而控制小车前进速度。为了进一步扩充本增稳装置的功能，还可以附加电子罗盘、舵机等装置，电子罗盘具备水平指向稳定性，实现稳定状态的显示。舵机增加增稳装置在不同姿态下的增稳表现。在实际应用中，通常不只需要一个方向的增稳，可以通过在空间坐标系的三个轴向上，任选两个轴向，设置两套增稳装置来实现两个轴向上的增稳。当然，还可以在三个轴向上均设置增稳装置。为了更好的发挥本增稳装置的功能，本专利技术还提供了一种基于本增稳装置的算法，其具体的步骤如下，其中涉及的到的偏航角、俯仰角、翻滚角如图1所示：步骤一：设定增稳装置在确保稳定状态下时姿态数据的误差范围，获取搭载增稳装置的物体处于直立状态时的数据；步骤二：用外力将搭载增稳装置的物体放置于直立状态，检查陀螺仪和加速度计的数据，对两者数据进行卡尔曼滤波融合，得到当前的姿态数据；步骤三：将当前的姿态数据与直立状态时的数据作差得到偏差数据；步骤四：判断俯仰方向角度偏差数据的大小是否在设定的允许范围内（一般为±3度）步骤五：若没有超出误差范围，则开启前进驱动电机，根据误差数据的大小，控制驱动电机的力矩，否则重复步骤二；步骤六：去掉施加在搭载增稳装置的物体上的外力，判断搭载增稳装置的物体翻滚方向角度偏差数据的大小是否超过设定的阈值；步骤七：若超出设定阈值，则开启翻滚方向驱动电机进行翻滚方向增稳，控制惯性轮驱动电机转动，否则，重复骤六；步骤八：检测是否收到停止增稳装置工作的信号，若收到停止信号，则一切数据归零，电机控制停止；若收到转向和前进后退信号，则分别控制偏航方向惯性轮和前进轮改变转动状态；步骤九：重复步骤六。上述步骤中，步骤八非必须的步骤，步骤八也可调整到步骤一至步骤五中的任意步骤中。本专利技术有如下有益效果：（1）实现了自动修正物体的平衡状态。（2）对于自平衡独轮车提出了一种更简洁的实现方案。（3）整套装置可扩展，可以多套增稳装置并联，也可以运用到多轴增稳上。附图说明图1为空间坐标系中前进物体所对应的偏航角、俯仰角、翻滚角的示意。图2为本专利技术所述的基于二轴增稳装置的独轮小车侧视图。图3为本专利技术所述的基于二轴增稳装置的独轮小车斜视图。图1中，大的箭头代表前进的物体。图2和图3中，附图标记所对应的名称：水平翻滚方向惯性轮-1、水平翻滚方向惯性轮驱动电机-2、微处理器控制系统-3、偏航方向惯性轮驱动电机及-4、偏航方向惯性轮-5、前进行走轮驱动电机-6、行走轮-7。具体实施方式基于本增稳装置的一个典型应用是独轮小车，如图2、图3所示。所述的独轮小车基于二轴增稳装置，其包含水平翻滚方向惯性轮-1、水平翻滚方向惯性轮驱动电机-2、水平翻滚方向姿态检测装置、微处理器控制系统-3、偏航方向惯性轮驱动电机及-4、偏航方向姿态检测装置、偏航方向惯性轮-5、前进行走轮驱动电机-6、行走轮-7。其中，由行走轮保持前后俯仰方向的平衡，由1号惯性轮保持水平翻滚方向平衡，由5号惯性轮保持或者改变偏航角。2号电机带动1号惯性轮旋转；4号电机带动5号惯性轮旋转；6号电机带动7号行走轮旋转。上述实施方式仅为本专利技术的优选实施方式，不能以此来限定本专利技术保护的范围，本领域的技术人员在本专利技术的基础上所做的任何非实质的变化及替换均属于本专利技术所要求保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增稳装置，其特征在于，由惯性轮、驱动电机、微处理器、姿态检测装置组成, 驱动电机与惯性轮机械上相连接，传导力矩，微处理器分别与驱动电机、姿态检测装置在电路上连接，所述微处理器能够进行计算和控制，包含单片机，所述姿态检测装置能够检测承载着惯性轮的物体的平衡状态，并发送检测到的数据给处理器，姿态检测装置包含陀螺仪、加速度计。

【技术特征摘要】
1.一种增稳装置，其特征在于，由惯性轮、驱动电机、微处理器、姿态检测装置组成,驱动电机与惯性轮机械上相连接，传导力矩，微处理器分别与驱动电机、姿态检测装置在电路上连接，所述微处理器能够进行计算和控制，包含单片机，所述姿态检测装置能够检测承载着惯性轮的物体的平衡状态，并发送检测到的数据给处理器，姿态检测装置包含陀螺仪、加速度计。2.根据权利要求1所述的增稳装置，其特征在于，每套增稳装置可以独立运行，可以根据需求将多套增稳装置并行安装使用，以增大增稳力矩,，另一方面，可以将多套增稳装置以正交的形式安装使用，以在多个方向上实现增稳。3.根据权利要求1所述的增稳装置，其特征在于，还包括电子罗盘，其使装置具备水平指向稳定性。4.根据权利要求1所述的增稳装置，其特征在于，还包括舵机，其增加增稳装置在不同姿态下的增稳表现。5.一种二轴增稳装置，其特征在于，在空间直角坐标系的翻滚轴和偏航轴两个轴向上，分别设置了上述的增稳装置，以实现对独轮车的翻滚和偏航角可控。6.一种基于增稳装置的独轮小车，其特征在于，包含水平翻滚方向惯性轮-1、水平翻滚方向惯性轮驱动电机-2、水平翻滚方向姿态检测装置、微处理器控制系统-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭志辉，彭伏生，黄诚，张龙，刘述亮，陈定罡，王道川，林年中，代仪佩，陈鑫，
申请(专利权)人：成都炬石科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51