CN210101876U - 一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，它使用惯性传感器和摄像头融合，依靠角度传感器实时测量车身滚动角，并利用动力学模型和欠驱动系统控制转向电机、车轮驱动电机和前后轮刹车保持车辆平衡。摩托车由前轮系统、转弯电机、方向盘、坐垫、后轮系统、自动起落架、控制系统、脚踏板、车架、以及视觉传感摄像头组成，本实用新型的平衡车具有与目前市面上存在平衡车不同的特点，它不需要耗能极高的飞轮高速旋转来保持车身的平衡，只需要一个相对简单耗能极低的平衡控制器来保持车身的平稳平衡行驶。具有很强的实用性。

Description

一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车

技术领域

本实用新型涉及单轨车辆自动驾驶技术领域，尤其涉及一种通过机器视觉、惯性导航的耦合，实现单轨车辆自动平衡和简单路况的自动驾驶。

背景技术

汽车时代的发展引起了道路、人口、停车场地等一系列矛盾，中国各大城市近年来交通堵塞与空气污染现象日益严重。有交通调查显示，单辆电动摩托车平均载客人数为1.12人而单辆小汽车的载客数为1.24人。汽车有着数倍于电动自行车的体积，然而在载客人数上两者缺相差无几，这实在不能不说是一种巨大的浪费，也直接导致了交通的过分拥堵。科学分析发现：汽车尾气中有上百种不同化合物，其中仅每年总铅量的排放就达40万吨，成了最严重的大气污染源，机动车尾气污染被喻为"无形杀手"。而电动摩托车仅使用电力驱动，不会产生污染。但是电动摩托车对驾驶员有着技术上的要求，在高速行驶的时候危险性较大。

现在汽车污染越来越严重，道路交通越来越堵塞。社会因交通拥堵造成的巨额经济损失已经发展成一个不容忽视的问题。针对目前汽车占地体积大，耗能大，载客量与其体积耗能不相符的情况，设计出一辆占地空间小，低耗能的，方便出行且安全的电动新型摩托车。提高资源的利用率，同时缓解污染严重的问题。

同时，如今共享单车产业越来越发达，深受社会各界的欢迎，但是也带来了乱停乱放影响市容，占用公共空间的社会问题。而且单车的运行容易出现不平衡的问题，很容易导致交通事故的发生。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、并带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，该自平衡电动摩托车主要包括前轮系统、转弯电机、方向盘装置、坐垫、后轮系统、自动起落架、控制系统、脚踏板、车架、以及摄像头。所述前轮系统和后轮系统分别安装在车架的前后端。所述转弯电机安装在车架的前端，与前轮系统连接，并与控制系统电连接。所述方向盘装置设置在车架前端顶部，与控制系统电连接。所述坐垫设置在车架后端顶部。所述自动起落架安装在车架后端，位于后轮系统之前，并与控制系统电连接；所述脚踏板安装在车架底部，与控制系统电连接。所述摄像头安装在车架前端，位于方向盘装置前方，并与控制系统电连接；所述控制系统设置在车架底部位置。

具体的，所述车架包括前弯管、主体架构、以及后尾弯管。所述前弯管设置在主体架构的前方，与主体架构固定连接。所述后弯管设置在主体架构的后方，与柱体架构固定连接。所述前弯管末端设有方向盘装置安装位。所述后尾弯管末端设有坐垫安装板。所述后尾弯管末端下方还设有后尾横杆。

具体的，所述自动起落架在车辆正常行驶时保持收起状态，在车辆速度降低后将要停止时自动下降，起到防止车身因慢速导致不平衡而倾倒，同时也起到停车断电后对车身的支撑作用。

具体的，所述的摄像头通过将车辆运行周围环境的信息反馈给控制系统中控制器核心板。

进一步的，所述前轮系统主要包括联轴器、车架前端套筒、前叉、前车轮、前油刹、以及第一编码器。所述联轴器一端连接电机，另一端连接前叉。所述前叉穿过车架前端套筒。所述前油刹安装在所述前叉右端的支撑柱上。所述第一编码器读数头安装在前叉右端支撑柱上。第一编码器同步轮安装在前轮车轴上，与车轮同步转动，以实现实时读出前轮转速。所述前车轮设为一主动车轮，内含驱动电机。

进一步的，所述方向盘装置安装在车架的前弯管末端，主要包括方向盘和方向盘基座。所述方向盘基座固定在方向盘装置安装位上。所述方向盘安装在方向盘基座上，与控制系统电连接。

进一步的，所述后轮系统主要包括减震器、后油刹、后轮、第二编码器、以及后尾架。所述减震器一端连接后尾横杆，另一端连接后尾架。所述后油刹安装在后轮上。所述后轮安装在后尾架上，通过后轮轴与后尾架连接。所述第二编码器的读数头安装在后尾架、同步轮与后轮轴的连接位置上，与后轮同轴转动，以此实现实时读出后轮转速。所述减震器连接后尾架的连接点位于编码器安装在后尾架的安装点前端。

进一步的，所述控制系统通过焊接形式安装在所述主体架构下端；所述控制系统主要包括：第一容纳腔和第二容纳腔。所述第一容纳腔包括电池盒外壳，其内部设有前轮电机驱动器、前轮转弯电机驱动器、控制器核心板、以及控制器核心板亚克力底板。所述第二容纳腔包括锂电池和电池固定板。所述前轮电机驱动器和前轮转弯电机驱动器放置在第一容纳腔左端，且底部用螺栓固定于电池盒外壳底部。所述前轮电机驱动器由压盖板夹持在第一容纳腔上，用于固定位置。所述控制器核心板亚克力底板位于第一容纳腔右端，其上设有角度传感器。所述控制器核心板固定安装在控制器核心板亚克力底板上且位于第一容纳腔内，分别与前轮电机驱动器、前轮转弯电机驱动器、锂电池电连接。所述第二容纳腔放置有锂电池，所述锂电池由电池固定板锁紧于第二容纳腔内。

具体的，所述脚踏板安装在所述车架的主体架构前端，所述脚踏板主要包括：后悬板、脚踏、以及前悬板。所述后悬板焊接在主体架构前端部分。所述前悬板焊接在所述前弯管下部。所述后悬板、前悬板安装在同一水平面上。所述脚踏前端安装在所述前悬板，后端安装在后悬板上，并与控制系统电连接。

国内外的此类产品多为基于飞轮来实现车辆自平衡；通过驾驶员座位下方的两个飞轮开启时保持每分钟5000—12000转的转速，来保持车辆的自动平衡。但多少都存在相应的一些问题，比如飞轮耗能高，而且一旦发生严重撞击，巨大的动能释放出来，有一定的安全隐患。因此提出一种不同的方法，利用自行研究的无约束车辆动学系统方程来进行二轮车的动力学描述和控制。并以多功能计算机代替驾驶人的大脑，运算出最佳的控制方案，再用由计算机控制的转弯电机控制转向角来代替驾驶人的双手，保持车身平衡，有效且安全地实现车辆的自平衡。

由于本实用新型的产品具有体积小(是有普通家用轿车体积的三分之一左右)、能效高、安全性强(可自主平衡)，因此很适合作为共享单车的替代品或者作为个人现代交通工具在现有交通拥挤的城市道路中使用。由于该车占用道路空间的缩小，可以使得现有的道路交通量增加2-3倍，将明显改善道路的拥堵状况；此外该车还可采用新能源作为动力，可以有效降低燃油造成的空气污染，具有很高的绿色环保效益。在国家日益提倡环保出行和大力推广新能源交通工具的时代背景下，本实用新型如能成功产业化，将可广泛应用在城市道路交通中，与现有普通家用轿车进行竞争并极有可能取代现有的普通四轮家用轿车。综上所述，本实用新型的成熟产品具有很广泛的适用范围和推广前景。

本实用新型的工作过程和原理是：自平衡单轨平衡车属于小型电动汽车，个头小、价格便宜，占地面积小，可解决汽车尾气排放问题和目前主流平衡车使用飞轮高速旋转保持平衡导致能耗高的问题。主要通过计算算法实现自平衡，抛弃了飞轮的高能耗高成本。平衡控制器控制的转弯电机实现稳定倾斜控制和大角度转弯，控制主板代替大功率陀螺仪，能耗更低。采用市面上电动车用的60V锂电池组成电池组，单个功率仅为1000w，容量为20AH，持续工作电流20A。支持拆卸，更换简便，预计电池组续行里程为60-70公里。

与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：

(1)本实用新型所提供的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车的整车结构继承于传统摩托车车型，但较于传统摩托车具有更加集成的设计效果，适合于平衡摩托车系统构架设计。

(2)本实用新型所提供的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车采用前轮驱动，可实现转弯半径小，更能适用于道路交通的无人摩托车设计方案。

(3)本实用新型所提供的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车不需要耗能极高的飞轮高速旋转来保持车身的平衡，只需要一个相对简单耗能极低的平衡控制器来保持车身的平稳平衡行驶。

附图说明

图1是本实用新型所提供的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车的整车结构示意图。

图2是本实用新型在半自动模式下控制系统的处理流程图。

图3是本实用新型所提供的整车处理系统关系示意图。

图4是本实用新型所提供的控制器核心板控制电机的流程图。

图5是本实用新型所提供的前轮系统结构示意图。

图6是本实用新型所提供的方向盘装置的结构示意图。

图7是本实用新型所提供的后轮系统结构示意图。

图8是本实用新型所提供的脚踏板结构示意图。

图9是本实用新型所提供的控制系统结构示意图。

图10是本实用新型所提供的车架结构示意图。

上述附图中的标号说明：

1-前轮系统，2-转弯电机，3-方向盘装置，4-坐垫，5-后轮系统，6-自动起落架，7-控制系统，8-脚踏板，9-车架，10-摄像头；

101-联轴器，102-车架前端套筒，103-前叉，1031-支撑柱，104-前车轮，105-前油刹，106-第一编码器；

301-方向盘，302-方向盘基座；

501-减震器，502-后油刹，503-后轮，504-第二编码器，505-后尾架；

701-压盖板，702-前轮电机驱动器，703-前轮转弯电机驱动器，704-电池盒外壳，705-控制器核心板，706-控制器核心板亚克力底板，707-电池固定板，708-锂电池，710-第一容纳腔，720-第二容纳腔；

801-后悬板，802-脚踏，803-前悬板；

901-前弯管，9011-方向盘装置安装位，902-主体架构，903-后尾弯管，9032-后尾横杆；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1至图10所示，本实施例公开了一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，该自平衡电动摩托车主要包括前轮系统1、转弯电机2、方向盘装置3、坐垫4、后轮系统5、自动起落架6、控制系统、脚踏板、车架、以及摄像头。所述前轮系统和后轮系统分别安装在车架的前后端。所述转弯电机安装在车架的前端，与前轮系统连接，并与控制系统电连接。所述方向盘装置设置在车架前端顶部，与控制系统电连接。所述坐垫设置在车架后端顶部。所述自动起落架安装在车架后端，位于后轮系统之前，并与控制系统电连接；所述脚踏板安装在车架底部，与控制系统电连接。所述摄像头安装在车架前端，位于方向盘装置前方，并与控制系统电连接；所述控制系统设置在车架底部位置。本实用新型所提供的自平衡电动摩托车具体结构如下：

1.机械结构

车架9包括前弯管901、主体架构902、后尾弯管903；所述前弯管901末端设有方向盘安装位9011；后尾弯管903末端设有坐垫安装板9031；所述后尾弯管903末端下方设有后尾横杆9032；

前轮系统1包括联轴器101，车架前端套筒102，前叉103，前车轮104，前油刹105，第一编码器106，具体地，所述联轴器101一端连接电机2，另一端连接前叉103；所述前叉103穿过车架前端套筒102；所述前油刹105安装在所述前叉103右端支撑柱1031，第一编码器106读数头安装在前叉103右端支撑柱1031上，第一编码器106同步轮安装在前轮车轴上，与车轮同步转动，如此，第一编码器106可实时读出前轮转速；所述前车轮104是为一主动车轮，内含驱动电机，电机2安装在车架9的前弯管901电机托架上，方向盘3安装在车架9的前弯管901末端，具体的包括方向盘301和方向盘基座302；

后轮系统5包括减震器501，后油刹502，后轮503，第二编码器504和后尾架505。所述减震器501一端连接后尾横杆，另一端连接后尾架505；所述第二编码器504读数头安装在后尾架505、同步轮与后轮轴上，与后轮同轴转动，如此第二编码器504可实时读出后轮转速；具体的，所述减震器501连接后尾架505的连接点位于第二编码器504安装在后尾架505的安装点前端。

所述自动起落架6在车辆正常行驶时保持收起状态，在车辆速度降低后将要停止时自动下降，起到防止车身因慢速导致不平衡而倾倒，同时也起到停车断电后对车身的支撑作用；

所述控制系统7通过焊接形式安装在所述主体架构902下端；所述器件盒7包括：第一容纳腔710，第二容纳腔720；所述第一容纳腔710包括电池盒外壳704，内放置有前轮电机驱动器702，前轮转弯电机2驱动器703，控制器核心板亚克力底板706，所述前轮电机驱动器702，前轮转弯电机2驱动器703放置在第一容纳腔710左端，且底部用螺栓固定于电池盒外壳704底部；所述前轮电机驱动器702由压盖板701夹持在第一容纳腔710上，用于固定位置；所述控制器核心板亚克力底板706位于第一容纳腔710右端，上有角度传感器，控制器核心板705固定安装在控制器核心板亚克力底板706上且位于第一容纳腔710内；所述第二容纳腔720放置有锂电池708，所述锂电池708由电池固定板707锁紧于第二容纳腔720内；

脚踏板8安装在所述车架9的主体架构902前端，所述脚踏板8包括：后悬板801，脚踏802和前悬板803；所述后悬板801焊接在主体架构902前端部分；所述前悬板803焊接在所述前弯管901下部；所述后悬板801、前悬板803在同一水平面上；所述脚踏802前端安装在所述前悬板803，后端安装在后悬板801上。

2.控制部分

2.1整车控制系统

2.1.1手动控制模式

驾驶人通过使用方向盘3来控制前轮转弯电机的转动角度实现手动转向，通过脚踏板8来控制车辆的行驶时的加速和减速。

2.1.2半自动控制模式

在驾驶人手动驾驶的情况下，车身上的速度编码器(106和504)，视觉传感器10，核心板705上的角度传感器保持工作状态。速度编码器(106和504)获取车身实时运行速度，视觉传感器10获取实时运行前方的图像，速度传感器实时获取车身的倾斜角度，并将这些信息传感核心板705来进行处理，根据现实情况去输出相应的前轮转弯电机2的转动角度和前车轮内电机104的转动速度(即运行速度)，实现车身的平衡保持；当车速降低即将停止时，自动起落架6自动降落，起到对车身的支撑作用，这些都对驾车人起到安全保护作用。

2.1.3自动控制模式

该模式适用于共享摩托车形式，当车辆停下时，驾驶人离开车辆后，控制器集训保持工作状态，控制器核心板705内的角度传感器，摄像头10和速度编码器105，504实时获得车身行驶时前方环境，倾斜角度，运行速度等信息车辆并驱动车辆转弯电机2的转动角度和前轮电机车轮104自动前往附近合适停车的地方进行停车熄火。

2.2控制器核心板处理器的具体工作流程

将动力学模型导入MATLAB，使用LQR算法，计算出最优的PID系数。CPU能够得到车体的状态，从而计算控制量，实现电机的精确力矩输出。

2.3硬件模块

本实用新型使用的核心处理器模块是STM32F4。STM32F4是由ST(意法半导体)开发的一种高性能微控制器。其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator^TM)。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致，使得STM32F4系列可达到210DMIPS@168MHz。

本实用新型使用的惯性测量单元是MPU6050。MPU-6000(6050)为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。

轮子转过的角度和角速度通过编码器模块功能及输入捕获测量轮子速度的实现。本实用新型使用的本编码器为增量式编码器，集成在电机里面，2500PPR(每转一周发出2500个脉冲)。

本电机配置的驱动器为Copley controls的Accelnet Panel，本驱动器通过RS-232可以与上位机进行通信，从而配置驱动器允许的模式，以及最大输出电流等等。

实施例2：

本实用新型的另一实施案例为，控制系统7作为整车控制大脑，负责整车的协调运动机理的实现，具体的包括通过前轮驱动器控制器702控制前轮电机车轮104的工作，实现整车的前进后退，通过控制转弯电机2工作，实现前轮系统1的向左向右转动，车辆运行时，当监测到车身不平衡时，驱动转弯电机2工作时，产生扭矩，同过联轴器101传递扭矩至前叉103最后传递给前车轮104，通过前车轮内电机104的与转弯电机2的协调工作，实现整车的前进、转弯下的平衡。

另外的，编码器(106、504)记录的车轮转速反馈至控制系统7，控制系统7中通过编码器反馈信号调节前车轮104和转弯电机2的转速进而控制整车的行进情况；总的来说就是通过车身上控制系统7中控制器核心板705内的角度传感器，摄像头10和速度编码器105，504实时获得车身行驶时前方环境，倾斜角度，运行速度等信息，并通过相应的控制算法调节转弯电机2的转动角度和前轮电机车轮104的转动速度来消除车身的倾斜，保持车辆的平衡运行，也能起到停车后车辆自动前往合适的位置进行停车的作用。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，包括前轮系统、转弯电机、方向盘装置、坐垫、后轮系统、自动起落架、控制系统、脚踏板、车架、以及摄像头；所述前轮系统和后轮系统分别安装在车架的前后端；所述转弯电机安装在车架的前端，与前轮系统连接，并与控制系统电连接；所述方向盘装置设置在车架前端顶部，与控制系统电连接；所述坐垫设置在车架后端顶部；所述自动起落架安装在车架后端，位于后轮系统之前，并与控制系统电连接；所述脚踏板安装在车架底部，与控制系统电连接；所述摄像头安装在车架前端，位于方向盘装置前方，并与控制系统电连接；所述控制系统设置在车架底部位置；

所述车架包括前弯管、主体架构、以及后尾弯管；所述前弯管设置在主体架构的前方，与主体架构固定连接；所述后尾弯管设置在主体架构的后方，与柱体架构固定连接；所述前弯管末端设有方向盘装置安装位；所述后尾弯管末端设有坐垫安装板；所述后尾弯管末端下方还设有后尾横杆；

所述自动起落架在车辆正常行驶时保持收起状态，在车辆速度降低后将要停止时自动下降，起到防止车身因慢速导致不平衡而倾倒，同时也起到停车断电后对车身的支撑作用；

所述的摄像头通过将车辆运行周围环境的信息反馈给控制系统中控制器核心板。

2.根据权利要求1所述的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，所述前轮系统包括联轴器、车架前端套筒、前叉、前车轮、前油刹、以及第一编码器；所述联轴器一端连接电机，另一端连接前叉；所述前叉穿过车架前端套筒；所述前油刹安装在所述前叉右端的支撑柱上；所述第一编码器读数头安装在前叉右端支撑柱上；第一编码器同步轮安装在前轮车轴上，与车轮同步转动，以实现实时读出前轮转速；所述前车轮设为一主动车轮，内含驱动电机。

3.根据权利要求1所述的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，所述方向盘装置安装在车架的前弯管末端，包括方向盘和方向盘基座；所述方向盘基座固定在方向盘装置安装位上；所述方向盘安装在方向盘基座上，与控制系统电连接。

4.根据权利要求1所述的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，所述后轮系统包括减震器、后油刹、后轮、第二编码器、以及后尾架；所述减震器一端连接后尾横杆，另一端连接后尾架；所述后油刹安装在后轮上；所述后轮安装在后尾架上，通过后轮轴与后尾架连接；所述第二编码器的读数头安装在后尾架、同步轮与后轮轴的连接位置上，与后轮同轴转动，以此实现实时读出后轮转速；所述减震器连接后尾架的连接点位于编码器安装在后尾架的安装点前端。

5.根据权利要求1所述的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，所述控制系统通过焊接形式安装在所述主体架构下端；所述控制系统包括：第一容纳腔和第二容纳腔；所述第一容纳腔包括电池盒外壳，其内部设有前轮电机驱动器、前轮转弯电机驱动器、控制器核心板、以及控制器核心板亚克力底板；所述第二容纳腔包括锂电池和电池固定板；所述前轮电机驱动器和前轮转弯电机驱动器放置在第一容纳腔左端，且底部用螺栓固定于电池盒外壳底部；所述前轮电机驱动器由压盖板夹持在第一容纳腔上，用于固定位置；所述控制器核心板亚克力底板位于第一容纳腔右端，其上设有角度传感器；所述控制器核心板固定安装在控制器核心板亚克力底板上且位于第一容纳腔内，分别与前轮电机驱动器、前轮转弯电机驱动器、锂电池电连接；所述第二容纳腔放置有锂电池，所述锂电池由电池固定板锁紧于第二容纳腔内。

6.根据权利要求1所述的带有半自动驾驶功能的自平衡电动摩托车，其特征在于，所述脚踏板安装在所述车架的主体架构前端，所述脚踏板包括：后悬板、脚踏、以及前悬板；所述后悬板焊接在主体架构前端部分；所述前悬板焊接在所述前弯管下部；所述后悬板、前悬板安装在同一水平面上；所述脚踏前端安装在所述前悬板，后端安装在后悬板上，并与控制系统电连接。

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