CN201228037Y - 两轮自平衡电动车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动车，特别涉及一种两轮自平衡电动车，提供一种既能够保持自身平衡，又能够按照用户要求实现安全运行功能，并具有灵活性高、机动性强、稳定可靠、智能控制、操作容易、绿色环保、结构简单、维护方便等特点的两轮自平衡电动车，底盘两侧独立支承有两个同轴线布置车轮，底盘下固定有微处理器控制系统、电源供给系统、底盘下还固定有电动机驱动器、传感器测量系统和辅助驾驶系统，两个轮毂电机布置于两个车轮内，轮毂电机的定子轴为车轮轴通过支座固定在底盘上，轮毂电机的转子与车轮轮毂连接为一体构成车轮。实现了零排放噪声小无污染的“绿色”短途代步交通运输工具；并能够缓解交通压力，解决环境问题和能源问题。

Description

两轮自平衡电动车

技术领域

本实用新型涉及一种电动车，特别涉及一种两轮自平衡电动车，属于交通运输工具。

背景技术

目前，随着中国经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，国内城市的汽车数量正在不断增加，随之而来的空气污染、噪声污染、交通堵塞、石油短缺等环境问题、交通问题和能源问题也显得日益突出。设计并制造出高性能的电动车是解决上述问题的有效途径之一。

一般而言，两轮电动车的车轮既可以如传统电动车一样前后布置，也可以平行同轴布置在车体两侧。车轮同轴布置与传统电动车相比，有如下优点：体积小、重量轻、具有很高的灵活性，能够实现原地旋转，有助于缓解交通压力。但是，由于同轴布置的两轮电动车本身独特的机械结构，在非控制状态下为自然不稳定系统，操作复杂，易失去重心，人摔下造成损伤。另外，由于上述两轮平行同轴布置电动车具有自然不稳定的特点，因此在电动车电量耗尽或者控制系统出现严重错误的时候，电动车往往会由于不能自动平衡而倒下并对驾驶者的安全构成威胁，而且在驾驶电动车的过程中还容易造成驾驶者产生一种担心从电动车上意外摔倒的心理。

发明内容

本实用新型的目的是解决上述问题并克服传统电动车的缺点，提供一种既能够保持自身平衡，又能够按照用户要求实现安全运行功能，并具有灵活性高、机动性强、稳定可靠、智能控制、操作容易、绿色环保、结构简单、维护方便等特点的两轮自平衡电动车。

本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型的一种两轮自平衡电动车，包括：底盘两侧独立支承有两个同轴线布置车轮，底盘下固定有微处理器控制系统、电源供给系统、其中：底盘下固定电动机驱动器、传感器测量系统和辅助驾驶系统，两个轮毂电机布置于两个车轮内，轮毂电机的定子轴为车轮轴通过支座固定在底盘上，轮毂电机的转子与车轮轮毂连接为一体构成车轮。电动车的两个车轮采用平行同轴线布置的形式安装在车体底盘两侧，底盘下方的电源供给系统包括蓄电池组，电压转换板以及传感器测量系统，底盘上方安装电动车机盖，一方面用于保护车内传感器以及各重要电子元器件，另一方面作为驾驶者的支撑脚踏板。电动车上同轴线布置的两个车轮各自由一个独立的直流电动机或直驱电机来驱动。所述的电动车使用轮毂电机作为动力源，它是一种把电机制成轮毂形状的电动机，可以说它既是车轮又是电机。而电机安装在底盘两侧，其定子轴通过支座固定在车体上。在运行时，轮毂电机绕着定子轴进行旋转从而向电动车提供足够的动力，实现电动车平稳前进、后退、转向和原地旋转等多种功能。底盘上方安装由钢板或塑料制成的机盖，高度和角度可调的操纵杆固定连接在底盘上，驾驶者可以通过此操纵杆以及杆上的按钮对电动车进行操控，并可以通过查看操纵杆上的显示装置得知当前电动车的工作状态及其他相关信息。

本实用新型所述的一种两轮自平衡电动车，其中：所述传感器测量系统与微处理器控制系统的控制卡连接，微处理器控制系统通过电机驱动器与电机连接，通过输入电压信号控制电机正反转调整车体处于平衡位置。所述底盘上设置有测量轮毂电机转速的增量式编码器，还设有测量电动车俯仰角的陀螺仪和加速度计构成的组合编码器通过测量支架安装在底盘上。

电动车利用传感器测量系统测量电动车的运行状态、平衡状态和驾驶者的输入信号，并将这些信号反馈到控制器。由于所述的电动车具有3个自由度，为了检测电动车的工作状态，使用陀螺仪和加速度计组合测量电动车的俯仰角，使增量式用编码器测量两个车轮的转速，然后经过计算得出电动车的俯仰角速度、直线运动速度、直线运动加速度、横滚(转向)角和横滚角速度。各个传感器皆与存储有控制程序的控制卡相连接，传感器的输出信号直接或经转换后输入到控制卡，经过控制卡中的微处理器计算后得出保持车体平衡及其正常运行所需要的电机转矩并转化为控制信号，最后通过电机驱动器对电机输出合适的电压，控制电机以一定的转速和方向运行，完成所需要实现的功能。

本实用新型所述的一种两轮自平衡电动车，其中：所述底盘上设置有与车轮轴线具有一定水平距离的保护装置。为了避免驾驶者意外摔倒和保护电动车内部的电子元器件，所述的电动车通过程序以及外加辅助机械装置即保护装置来防止电动车在运行过程中俯仰角过大、速度过高等危险情况的发生，并能够在将要出现危险时通过显示装置警告驾驶者，从而避免绝大部分意外的发生。所述的保护装置为一端铰链活动连接在底盘上、另一端带有支承轮的起落架。

本实用新型所述的一种两轮自平衡电动车，其中：所述底盘上设置有护栏。所述底盘上设置的护栏可以是与车轮平行的两个侧面护栏。

本实用新型所述的一种两轮自平衡电动车，其中：所述底盘上通过绳状连接线连接有活动式操纵器，并挂置在护栏上。

本实用新型所述的自平衡电动车，其操纵方法主要有两种，一种是依靠驾驶者倾斜身体使操纵杆倾斜来实现的，其中：当驾驶者身体向前倾斜时，电动车向前或加速运行；当驾驶者身体向后倾斜时，电动车向后或减速运行；当驾驶者身体直立、即使底盘与水平面平行时，电动车停留在原地不动；当驾驶者旋转或拨动操纵杆上的转向器件时，电动车进行转向。同时，根据操纵杆的倾斜角度大小来实现电动车的无级调速；根据转向传感器输出信号的大小来实现电动车以不同的转弯半径转向，甚至可以原地旋转，转弯半径为0。另一种则是通过操作操纵杆上的四个按钮或拨杆来实现的，其中：当驾驶者按下或拨动前进后退按钮或拨杆时，电动车向前或向后运行；当驾驶者按下或拨动转向按钮或拨杆时，电动车向左或向右转向。

本实用新型具有如下显著优点：(1)本实用新型采用运行稳定、可控性好、响应速度快、使用寿命长的无刷直流轮毂电机或直驱电机来直接驱动电动车实现起停、进退、转向以及原地旋转功能，省去了减速、变速、倒车、刹车和转向等机构，不仅使结构简单合理，还减小电动车的体积和重量，增强了电动车的灵活性和机动性；

(2)本实用新型在控制系统的控制下能够自动保持平衡，并不需要驾驶者对车体的平衡进行控制，操作简单、维护方便、成本不高，适合各种人员使用；

(3)本实用新型采用蓄电池最为能源来驱动，也可以加入太阳能电池模块来进行供电，故本实用新型能很好地实现零排放噪声小无污染，是一种“绿色”交通运输工具；

(4)本实用新型不仅利用控制系统实现安全保护功能，还利用机械机构来保障驾驶者的安全，从而大大提高了电动车的安全性和可靠性。

本实用新型的有益效果是，它可以广泛用于大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、大型公园广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区、办公大楼、酒店等场合中作为人们的中、短途代步交通工具，并能够缓解交通压力，在一定程度上解决了环境问题和能源问题。

附图说明：

图1：表示本实用新型的自平衡电动车立体结构示意图。

图2：表示本实用新型的自平衡电动车主视图。

图3：表示本实用新型的自平衡电动车仰视图。

图4：表示本实用新型的自平衡电动车的另一种支撑轮毂电机结构方式的示意图。

图5：表示本实用新型的自平衡电动车的又一种支撑轮毂电机结构方式的示意图

图6：表示本实用新型的自平衡电动车车轮装配图。

图7：表示本实用新型的自平衡电动车俯视图。

图8：表示本实用新型的自平衡电动车保护装置的原理示意图(一)

图9：表示本实用新型的自平衡电动车保护装置的原理示意图(二)

图10：表示本实用新型的自平衡电动车保护装置的原理示意图(三)

图11：表示本实用新型的其中一种以自动方式实现安全保护的原理图

图12：表示本实用新型的其中一种以手动方式实现安全保护的运动简图

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步介绍，但不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，是一种本实用新型的自平衡电动车立体结构示意图。在底盘1两侧独立支承有两个同轴线布置车轮3，在图2中，底盘1下固定有微处理器控制系统(图中未示出)、电源供给系统12、底盘1下固定电动机驱动器11、传感器测量系统和辅助驾驶系统，两个轮毂电机10布置于两个车轮3内，轮毂电机10的定子轴即为车轮轴9通过外支座2和内支座14固定在底盘1上，轮毂电机10的转子与车轮轮毂连接为一体构成车轮3。

本实用新型所述的自平衡电动车采用无刷直流式轮毂电机10作为自平衡电动车的动力源，省去复杂的传动机构，节省车体内部的空间，减小电动车的体积和质量，降低电动车的制造成本，还使得整车重量更均匀地分布在电动车的各个部位上。如图2和图3所示，本实用新型的自平衡电动车主要包括以下几个部分：操纵杆4、轮毂电机10、机盖7、底盘1、电机驱动器11、蓄电池组12、增量式编码器8、显示屏5、转向操作装置6、角度测量单元(由加速度计18和陀螺仪19组成)、电源转换电路板20、DSP控制卡15。其中，两个轮毂电机10分别安装在电动车的底盘1两侧，轮毂电机10两端的定子轴即车轮轴9(轴上具有螺纹并在螺纹段加工出两平行平面)以简支梁的支撑方式安装在外支座2和内支座14之间，并在轮毂电机10的定子轴即车轮轴9的两端都固定有拧紧螺母32从而限制其轴向位移，在外支座2上拧入两个紧定螺钉33压紧轴上的两个平面进一步限制轴的旋转。因此，轮毂电机10的伸出轴、即轮毂电机10的定子，在此称为车轮轴9是完全固定在底盘1上，轮毂、即轮毂电机10的转子，在此称为车轮3则绕着此轴旋转。此外，轮毂电机10的支撑固定方式也可以是如图4所示的支承架13构成的简支梁支撑方式；或者如图5所示，通过法兰31连接手段将两个轮毂电机10连成一体，以图5所示的方式安装在底盘1上。

本实用新型所述的自平衡电动车使用的增量式编码器8为封闭式空心贯通轴增量式编码器，其码盘和读数头均由机盖7保护，不受外界环境因素的影响，适应性强，能够精确地测量出轮毂电机10的转角大小。如图6所示，本实用新型用一根空心套轴22以螺纹连接方式与轮毂电机10的转子即车轮3连接起来。由于增量式编码器8为无接触测量，故不会因为增量式编码器8的转动阻力过大而使轴22被拧松而脱落，但出于安全考虑，进一步防止空心套轴22的径向旋转和轴向位移，在空心套轴22上攻出3个螺纹孔，并拧入3个紧定螺钉23，防止空心套轴22松脱。增量式编码器8的旋转部分通过半圆键21与空心套轴22相连接，而增量式编码器8的固定部分则通过编码支座30与底盘1相连，当轮毂电机10转动时，便能带动编码器8内的码盘旋转，发出一系列脉冲信号，经过DSP控制卡15的计算后得出准确的速度值和位移量。

如图3所示，所述的自平衡电动车使用加速度计18和陀螺仪19组成的角度测量单元来测量电动车的俯仰角。它们都安装在测量支座17上，信号输出线分别与DSP控制卡15相连。并采用互补滤波(也可以采用卡尔曼滤波)的方法将两个传感器的输出信号进行数据融合，相互弥补了各自的缺点，准确测量俯仰角的大小。

如图3所示，所述自平衡电动车的DSP控制卡15和电源转换电路板20安装在控制支座16上，控制支座16安装在底盘1上。如图7所示，所述自平衡电动车的蓄电池组12和电机驱动器11分别通过电池支座24和驱动器支座25安装在底盘1的下方。如图2所示，所述自平衡电动车的机盖7固定在底盘1相连，机盖7一方面保护了车内重要电子元器件如陀螺仪19、加速度计18和DSP控制卡15等不受破坏，另一方面作为驾驶者的支撑脚踏板。所述自平衡电动车的可调高度操纵杆4与底盘1固定连接，操纵杆4上安装有显示屏5和转向拨杆6。

由于所述自平衡电动车一般都在平地上行驶，其倾斜角一般不超过±10°，考虑到这一点，电动车不仅通过程序来限制其俯仰角不至于过大和速度不至于过高，而且将电动车设计成在非控制状态下倾斜角不超过±20°的机械结构，保证电动车出现故障后也倾倒幅度不会太大，可靠地避免各种意外事故的发生，保障驾驶者的安全。

为了进一步提高本实用新型所述的自平衡电动车的安全性和可靠性，保护车内元器件以及驾驶者的安全，可以通过外加辅助机构来实现。如图8、图9和图10所示，它们表示3种不同的保护装置，以图8所示的保护装置为例加以说明，它主要包括小转轴27、支撑杆28、支承轮29和驱动部件(图中未示出)等。其中，所述保护装置的工作过程如下：当驾驶者尚未使用电动车(即驾驶者没有站立在电动车)时，保护装置处于工作状态，此时支承轮29与地面接触，它与两个车轮3三点构成一个三角形平面，故使得电动车如普通三轮车一样平稳地立在原地，从而起到保护车体内部各元器件的作用；当驾驶者站上电动车时，保护装置中的小转轴27将会以自动或手动的方式被驱动起来，使支撑杆28和支承轮29绕小转轴27旋转而向上升起，此时支承轮29离开地面，电动车进入两轮驾驶模式。如果在驾驶过程中，电动车出现故障或其他意外状况，驾驶者可以根据需要启动保护装置使电动车通过该保护机构实现平衡运行，从而起到安全保护作用。图9为保护装置可以通过控制进行上下直线运动，向下移动支承轮29即可支承于地面起到支承保护作用，运行开始时，支承轮29向上移动，取消支承保护作用；图10的保护装置是小转轴27旋转方向改变90°，如果设定图8保护装置中的那么图10则是支撑杆28和支承轮29绕小转轴27相对于底盘1左右方向旋转。

如图11、图12所示，表示本实用新型的其中一种以自动方式实现安全保护的原理图，电动机34通过减速器35与小转轴27相连，并在机盖7顶部安装两个接近开关(左右布置在驾驶者站立处，图中未示出)。当电动车上无人时，接近开关断开，此时保护装置处于工作状态，电动车平稳地立于原地；当驾驶者站上电动车后，底盘1向下运动，两个接近开关都闭合，此时电动机驱动小转轴27带动支撑杆28和支承轮29旋转90°，使电动车进入两轮驾驶模式；当驾驶过程中出现故障或驾驶者离开电动车时，保护装置进入工作状态，使电动车转换成三轮模式，并重新获得平衡，从而保护驾驶者和车内元器件。

如图12所示，表示本实用新型的其中一种以手动方式实现安全保护的运动简图。当电动车上的脚踏板没有被踩下时，即底盘1位于高位，由于弹簧36的弹簧力作用，则使保护装置处于工作状态，电动车平稳地立于原地；当电动车上的脚踏板即底盘1被踩下时，与底盘1一体的齿条向下运动带动齿轮即小转轴27转动使支撑杆28和支承轮29转过90°，则电动车以两轮自平衡模式工作；当驾驶过程中出现故障或驾驶者离开电动车时，保护装置进入工作状态，使电动车转换成三轮模式，并重新获得平衡，从而保护驾驶者和车内元器件。

此外，控制所述自平衡电动车的平衡以及运行的控制程序存储在DSP控制卡15中，DSP所采用的型号为TMS320F2812。电源转换电路板20则用于将蓄电池组12的48V直流电压转换为5V和±12V直流电压供DSP控制卡15、各传感器及其他电路使用。

如图8和图10所示，在所述底盘1上设置有护栏37，人是站立在自平衡电动车上操作运行。在图8中，所述底盘1上通过绳状连接线39连接有活动式操纵器40，并挂置在护栏37上。

如图10所示，所述底盘1上设置有与所述车轮3平行的两个侧面护栏37。

另，如图9所示，在所述底盘1上设置有座椅41，并与之相配套的低护栏38，人可以乘坐在自平衡电动车上操作运行。

本实用新型所述的自平衡电动车的操作过程如下：

首先，打开安装在机盖7背面的电源总开关，指示灯亮起后表明电源接通，显示屏5启动并实时显示电动车的电量以及各传感器的输出情况，系统正常启动，DSP控制卡15和各传感器进入工作状态。然后使电动车的底盘1平行于水平面(或操纵杆4垂直于水平面)，待显示屏5显示“Ready”提示信息后，系统准备工作完成，驾驶者可以上车进行驾驶。在驾驶者操作电动车的过程中，当驾驶者身体向前倾斜时，角度测量单元和两个车轮3上的增量式编码器8将测得的输出信号输入到DSP控制卡15中，经过DSP计算后得出保持电动车平衡以及运行所需要的轮毂电机10转矩或转速的大小并向电机驱动器11输出控制信号，电机驱动器11接收到此信号后便向轮毂电机10输出合适的电压使轮毂电机10按照计算所得到的转矩或转速加速前进，从而使电动车在保持平衡的状态下向前运行，而且倾斜的角度越大，电动车的速度越快。同理，当驾驶者向后倾斜时，轮毂电机10按照计算所得到的转矩或转速减速后退。当驾驶者的身体直立时，由于其俯仰角为0°，电动车已处于平衡状态，故此时可使电动车停留在原地不动。当驾驶者需要转向时，只要左右拨动操纵杆4上的转向装置6向DSP控制卡15输入一个模拟信号，经过DSP处理以及对其他传感器的输入信号进行综合运算后得出两车轮3各自所需要的转矩或转速大小，并转化为控制信号分别输出到电机驱动器11中，电机驱动器11按照此控制信号输出合适的电压对轮毂电机10进行控制以满足转向的要求，而且转向装置6输入的模拟信号越大，电动车的转弯半径越小。在所述电动车的整个工作过程中，电动车的状态和输入信号通过各个传感器反馈在控制器中，形成闭环控制系统，并且经过反复测量、反复计算以及反复调整，使电动车始终保持平衡不倒，并且能够按照驾驶者的各种操作正常运行。

Claims (9)

1.一种两轮自平衡电动车，包括：底盘两侧独立支承有两个同轴线布置车轮，底盘下固定有微处理器控制系统、电源供给系统、其特征在于：底盘下固定有电动机驱动器、传感器测量系统和辅助驾驶系统，两个轮毂电机布置于两个车轮内，轮毂电机的定子轴为车轮轴通过支座固定在底盘上，轮毂电机的转子与车轮轮毂连接为一体构成车轮。

2.根据权利要求1所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述传感器测量系统与微处理器控制系统的控制卡连接，微处理器控制系统通过电机驱动器与电机连接，通过控制电机正反转的输入电压信号调整车体位于平衡位置。

3.根据权利要求2所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上设置有与车轮轴线具有一定水平距离的保护装置。

4.根据权利要求3所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

保护装置为一端铰链活动连接在底盘上、另一端带有支承轮的起落架。

5.根据权利要求4所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上设置有测量轮毂电机转速的增量式编码器为封闭式空心贯通轴增量式编码器，还设有测量电动车俯仰角的陀螺仪和加速度计构成的组合编码器通过测量支架安装在底盘上。

6.根据权利要求5所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上设置有护栏。

7.根据权利要求6所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上设置有与车轮平行的两个侧面护栏。

8.根据权利要求7所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上通过绳状连接线连接有活动式操纵器，并挂置在护栏上。

9.根据权利要求5所述的一种两轮自平衡电动车，其特征在于：

所述底盘上设置有操纵杆，操纵器设置在操纵杆上。

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