高稳定智能自平衡装置及其控制方法.pdf

本发明提供一种高稳定智能自平衡装置及其控制方法，包括外框、可转动设置于所述外框上的封闭外壳、可转动设置于所述外壳内的旋转体、驱动所述外壳的第二驱动装置、驱动旋转体的第一驱动装置、检测组件、处理装置和控制装置，所述外壳的转动轴与所述旋转体的转动轴相垂直，所述检测组件包括用于采集数据的角度传感器、转速传感器、陀螺仪传感器和加速度传感器，所述处理装置分别连接所述检测组件和控制装置，所述控制装置连接所述第一驱动装置和第二驱动装置。本发明的高稳定智能自平衡装置，可安装在各种需要维持平衡的设备，尤其是动态不稳定设备(如两轮车辆)上，具有高的抗干扰性，稳定性强。

权利要求书
1.  高稳定智能自平衡装置，其特征在于：包括外框、可转动设置于所 述外框上的封闭外壳、可转动设置于所述外壳内的旋转体、驱动所述外壳的 第二驱动装置、驱动旋转体的第一驱动装置、检测组件、处理装置和控制装 置，所述外壳的转动轴与所述旋转体的转动轴相垂直，所述检测组件包括用 于采集数据的角度传感器、转速传感器、陀螺仪传感器和加速度传感器，所 述处理装置分别连接所述检测组件和控制装置，所述控制装置连接所述第一 驱动装置和第二驱动装置。

2.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 旋转体为飞轮，所述飞轮远离其转动轴的部分厚，而靠近其转动轴的部分薄。

3.  根据权利要求2所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 飞轮上下面靠近其转动轴处分别周向设有凹槽。

4.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 外壳为一真空封闭的壳体。

5.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 旋转体的转动轴通过第一离合器连接所述第一驱动装置，所述第一驱动装置 安装在所述外壳上，可带动所述旋转体进行高速旋转。

6.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 外壳的转动轴通过第二离合器连接所述第二驱动装置，第二驱动装置安装在 所述外框上。

7.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 外壳的转动轴上设有用于采集旋转体偏移角度的所述角度传感器，旋转体上 设有用于采集其转速的所述转速传感器，所述外框上设有主控盒，所述主控 盒内设有所述处理装置、控制装置、陀螺仪传感器和加速度传感器。

8.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置，其特征在于：所述 旋转体和外壳至少有一组，每组中的所述旋转体均设置于所述外壳中，旋转 体连接第一驱动装置，外壳连接第二驱动装置，旋转体的转动轴与外壳的转 动轴相垂直，所述外壳均设置于所述外框上。

9.  根据权利要求1所述的高稳定智能自平衡装置的控制方法，其特征 在于：该方法包括以下步骤，
1)所述转速传感器采集旋转体转速数据，将数据信号传输给所述处理 装置，当旋转体转速达到需求的最低值后，装置进入平衡控制状态；
2)所述陀螺仪传感器和加速度传感器分别采集装置的角度和加速度数 据，并将采集到的信号传输给所述处理装置，处理装置对信号进行分析处理， 当发现装置偏离平衡状态时，对控制装置发出指令，使控制装置控制第二驱 动装置发生改变，控制外壳的偏转方向和偏转速度，调节装置的倾斜角度， 直到恢复平衡状态；
3)所述角度传感器采集飞轮转动轴的偏转角度数据，并将该数据信号 传输给所述处理装置，处理装置对该数据信号进行分析和处理，当发现偏转 角度过大或持续增加时，处理装置对控制装置发出指令，使控制装置控制第 二驱动装置发生改变，调节装置使其在维持装置稳定的状态下自动将外壳偏 转角恢复至零点。

说明书高稳定智能自平衡装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及机械电子平衡技术领域，尤其是涉及一种高稳定智能自平衡 装置及其控制方法。
背景技术
无论是汽车、摩托车、船舶还是火箭飞机等高科技产品，我们身边 的很多装置必须维持稳定平衡才能良好运作。一个强大的平衡系统不仅 可以成为众多设备得以使用的关键也可以为更多的产品带来额外的附 加体验和价值，甚至催生出更高层次的用途。
目前常见的平衡系统或平衡装置基本多采用动态非稳定平衡技术，如两 轮车赛格威，日本的村田顽童自行车机器人，瑞士苏黎世联邦理工学院设计 的自平衡立方体Cubli等等。它们共同的特点是利用系统的主动运动能力(车 轮、惯性轮)去寻找和维持动态平衡，系统本身处在一种平衡和不平衡的交 替变化之中。如赛格威采用了倒立摆原理，在车辆向前倾的时候驱动车轮向 前运动，从而阻止倾倒的发生。但是所有的这些技术都有一个共同的缺 点——抵御外界干扰的能力差。一旦受到轻微的撞击，平衡状态很容易被打 破，难以应对复杂恶劣的环境变化，并且，当驱动装置停止运转，平衡状态 立即消失。这直接导致了较低的安全性、可靠性和较差的适应性。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点，本发明要解决的问题是提供一种可安装 在各种需要维持平衡的设备，尤其是动态不稳定设备(如两轮车辆)上，具 有高抗干扰的高稳定智能自平衡装置及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种高稳定智能 自平衡装置，包括外框、可转动设置于所述外框上的封闭外壳、可转动设置 于所述外壳内的旋转体、驱动所述外壳的第二驱动装置、驱动旋转体的第一 驱动装置、检测组件、处理装置和控制装置，所述外壳的转动轴与所述旋转 体的转动轴相垂直，所述检测组件包括用于采集数据的角度传感器、转速传 感器、陀螺仪传感器和加速度传感器，所述处理装置分别连接所述检测组件 和控制装置，所述控制装置连接所述第一驱动装置和第二驱动装置。
优选地，所述旋转体为飞轮，所述飞轮远离其转动轴的部分厚，而靠近 其转动轴的部分薄。
优选地，所述飞轮上下面靠近其转动轴处分别周向设有凹槽。
优选地，所述外壳为一真空封闭的壳体。
优选地，所述旋转体的转动轴通过第一离合器连接所述第一驱动装置， 所述第一驱动装置安装在所述外壳上，可带动所述旋转体进行高速旋转。
优选地，所述外壳的转动轴通过第二离合器连接所述第二驱动装置，第 二驱动装置安装在所述外框上。
优选地，所述外壳的转动轴上设有用于采集旋转体偏移角度的所述角度 传感器，旋转体上设有用于采集其转速的所述转速传感器，所述外框上设有 主控盒，所述主控盒内设有所述处理装置、控制装置、陀螺仪传感器和加速 度传感器。
优选地，所述旋转体和外壳壳至少有一组，每组中的所述旋转体均设置 于所述外壳中，旋转体连接第一驱动装置，外壳连接第二驱动装置，旋转体 的转动轴与外壳的转动轴相垂直，所述外壳均设置于所述外框上。
另外，该控制方法包括以下步骤，
1)所述转速传感器采集旋转体转速数据，将数据信号传输给所述处理 装置，当旋转体转速达到需求的最低值后，装置进入平衡控制状态；
2)所述陀螺仪传感器和加速度传感器分别采集装置的角度和加速度数 据，并将采集到的信号传输给所述处理装置，处理装置对信号进行分析处理， 当发现装置偏离平衡状态时，对控制装置发出指令，使控制装置控制第二驱 动装置发生改变，控制外壳的偏转方向和偏转速度，调节装置的倾斜角度， 直到恢复平衡状态；
3)所述角度传感器采集飞轮转动轴的偏转角度数据，并将该数据信号 传输给所述处理装置，处理装置对该数据信号进行分析和处理，当发现偏转 角度过大或持续增加时，处理装置对控制装置发出指令，使控制装置控制第 二驱动装置发生改变，调节装置使其在维持装置稳定的状态下自动将外壳偏 转角恢复至零点。
本发明具有的优点和有益效果是：
(1)飞轮远离所述飞轮轴的部分厚，而靠近飞轮轴的部分薄，从而可 以保证飞轮在相同质量和相同转速的情况下提高飞轮转动惯量。
(2)飞轮外壳为一内部真空封闭的壳体，飞轮被安装在一个真空的环 境内，可以降低空气阻力，提高转速，减少功耗，并可提升装置的安全性。
(3)飞轮轴与第一电机之间连接有第一离合器，外壳转轴与第二电机 之间连接有第二离合器，在电力被切断的情况下，可使整个装置依靠惯性继 续维持一段时间的平衡而不会立即倾倒，大大提高了装置的可靠性和稳定 性。并且，第一离合器还可以用半离合方式启动飞轮，防止电机在飞轮启动 初期由于转速过慢而导致过热或被烧毁。
(4)该装置还设置有角度传感器、转速传感器，可以精确的掌握装置 运行情况，以便及时作出调节，使得整个装置稳定性更好。
附图说明
图1是本发明的部分结构剖视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的主视图；
图4是本发明的左视图；
图5是本发明的连接框图。
图中：1、飞轮；        2、凹槽；        3、飞轮轴；
      4、飞轮外壳；    5、外壳转轴；    6、第一离合器；
      7、第一电机；    8、角度传感器；  9、外框；
      10、主控盒；     11、第二离合器； 12、第二电机；
      13、控制器；     14、处理器；     15、转速传感器；
      16、3轴加速度传感器；      17、3轴陀螺仪传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供一种高稳定智能自平衡装置，包括外框9、 可转动设置于外框9上的封闭外壳(以下称为飞轮外壳4)、可转动设置于 飞轮外壳4内的旋转体(以下称为飞轮1)、驱动飞轮外壳4的第二驱动装 置、驱动飞轮1的第一驱动装置、检测组件、处理装置和控制装置，飞轮外 壳4的转动轴与飞轮1的转动轴相垂直，检测组件包括用于采集数据的角度 传感器8、转速传感器15、3轴陀螺仪传感器17和3轴加速度传感器16， 处理装置分别连接检测组件和控制装置，控制装置连接第一驱动装置和第二 驱动装置。本实施例中，处理装置采用处理器14，控制装置采用控制器13， 第一驱动装置为第一电机7，第二驱动装置为第二电机12。
飞轮1通过飞轮轴3安装在飞轮外壳4内部，飞轮1的上下表面靠近飞 轮轴3处周向设有凹槽2，使得飞轮1远离飞轮轴3的部分厚，而靠近飞轮 轴3的部分薄，从而可以在相同质量和相同转速的情况下提高飞轮1的转动 惯量。飞轮轴3通过第一离合器6连接第一电机7，第一电机7为高速电机， 可带动飞轮1进行高速运转，第一电机7安装在飞轮外壳4上。飞轮1上设 有转速传感器15。
飞轮外壳4为一真空封闭的壳体，飞轮外壳4通过外壳转轴5安装在外 框9上，外壳转轴5与飞轮轴3相互垂直。外壳转轴5通过第二离合器11 连接第二电机12，第二电机12为减速电机，安装在外框9上。外壳转轴5 上设有角度传感器8。
外框9上设有主控盒10，主控盒10内设置有相互连接的处理器14和控 制器13，处理器14分别连接3轴陀螺仪传感器17、3轴加速度传感器16、 转速传感器15和角度传感器8，控制器13分别连接第一电机7和第二电机 12。
该高稳定智能自平衡装置的控制方法包括以下步骤：
1)转速传感器15采集飞轮1的转速数据，将数据信号传输给处理器14， 当飞轮1的转速达到需求的最低值后，装置进入平衡控制状态，其中第一电 机7用于保持飞轮1的高速旋转；
2)3轴陀螺仪传感器17和3轴加速度传感器16分别采集装置的角度和 加速度数据，并将采集到的信号传输给处理器14，处理器14对信号进行分 析处理，当发现装置偏离平衡状态时，对控制器13发出指令，使控制器13 控制第二电机12发生改变，控制飞轮外壳4的偏转方向和偏转速度，调节 装置的倾斜角度，直到恢复平衡状态；
3)角度传感器8采集飞轮轴3的偏转角度数据，并将该数据信号传输 给所述处理器14，处理器14对该数据信号进行分析和处理，当发现偏转角 度过大或持续增加时，处理器14对控制器13发出指令，使控制器13控制 第二电机12发生改变，调节装置使其在维持装置稳定的状态下自动将外壳 偏转角恢复至零点。
由于飞轮外壳4为一封闭真空壳体，因此，可降低飞轮1转动的空气阻 力，减少功耗，提高转速。另外，第一电机7和第二电机12分别连接有第 一离合器6和第二离合器11，第一离合器6和第二离合器11在装置有电的 情况下，将飞轮轴3与第一电机7结合在一起，将外壳转轴5与第二电机12 结合在一起，而在电力被切断的情况下使其分开，从而可以使系统在停电的 状态下依靠惯性继续维持一段时间的平衡而不会立即倾倒，使操作者在这段 时间内作出反应，大大提高了整个装置的可靠性。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的 较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围 所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。