本發(fā)明涉及無人駕駛車輛的運動控制領(lǐng)域，具體涉及一種無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今有關(guān)無人駕駛汽車的研究和應(yīng)用已經(jīng)漸漸進入成熟階段，但是有關(guān)無人自行車的研究卻很少、相關(guān)應(yīng)用則更少。我國是一個自行車大國，自行車的保有量居世界第一，但是卻始終沒能夠?qū)崿F(xiàn)無人的、能自動平衡和自主行駛的系統(tǒng)。現(xiàn)有的關(guān)于無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多是在行進速度不變或是完全靜止的前提下保持平衡，并不能做到包括啟?？刂?，路況檢測和自動行駛在內(nèi)的功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述不足，本發(fā)明提供了一種無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其能夠分別在靜止和行進狀態(tài)下保持平衡、能夠完成靜止狀態(tài)和行進狀態(tài)的啟停轉(zhuǎn)換、能夠根據(jù)預(yù)設(shè)指令在行進狀態(tài)下保持平衡并依據(jù)路況檢測結(jié)果自動行進。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括：車身、姿態(tài)檢測傳感器模塊、攝像頭陣列模塊、轉(zhuǎn)向控制電機模塊、姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊、行進驅(qū)動電機模塊、無線傳輸模塊、平衡控制器及上位機；

姿態(tài)檢測傳感器模塊，用于在靜止或行進狀態(tài)下作為平衡控制器的輸入，作為平衡控制器的控制量輸出的反饋。

攝像頭陣列模塊，用于在行進狀態(tài)下采集車身前方或側(cè)面的實時畫面，通過平衡控制器控制攝像頭陣列模塊向上位機傳輸實時畫面。

轉(zhuǎn)向控制電機模塊，作為行進狀態(tài)下平衡控制器輸出的執(zhí)行機構(gòu)，用于控制并保持車身在行進過程中的平衡。

姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊，作為靜止狀態(tài)下平衡控制器輸出的執(zhí)行機構(gòu)，用于控制并保持車身在靜止過程中的平衡。

行進驅(qū)動電機模塊，用于保持行進狀態(tài)下的行進速度，并在平衡控制器控制下完成車身加速、減速、啟動或停止的過程。

無線傳輸模塊，用于將攝像頭陣列模塊采集到的實時畫面以無線形式傳輸至上位機。

平衡控制器，用于實現(xiàn)車身靜止和行進狀態(tài)下的自平衡、控制向上位機傳輸攝像頭陣列模塊采集的實時畫面以及接受上位機的加速、減速或轉(zhuǎn)向指令。

上位機，用于將傳輸來的實時畫面進行處理和分析，完成對車身的速度及轉(zhuǎn)向控制。

電源模塊，用于為整個系統(tǒng)提供工作電壓。

進一步的，所述車身包括車架、前叉、前部可動軸輪、后部固定軸輪和電路支架；所述前叉轉(zhuǎn)動安裝在車架前端；所述前部可動軸輪安裝在前叉上，所述后部固定軸輪安裝在車架后端；所述電路支架固定在車架中上部。

進一步的，所述姿態(tài)檢測傳感器模塊安裝在電路支架內(nèi)上。

進一步的，所述攝像頭陣列模塊由若干攝像頭組成，分布在車架的前方或側(cè)方。

進一步的，所述轉(zhuǎn)向控制電機模塊包括第一電機、第一電機測角盤、第一電機驅(qū)動器；所述第一電機安裝在車架上，其輸出軸與前叉相連，控制前叉的繞車架轉(zhuǎn)動；所述第一電機測角盤安裝在第一電機的后端，用于測量第一電機的轉(zhuǎn)動角度；所述第一電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第一電機轉(zhuǎn)動，第一電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。

進一步的，所述姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊包括陀螺儀轉(zhuǎn)子、陀螺儀支架、第二電機、第二測速碼盤、第二電機驅(qū)動器；其中陀螺儀轉(zhuǎn)子位于陀螺儀支架中心，以高速轉(zhuǎn)動時的角速度保持車身平衡；所述第二電機的輸出與陀螺儀轉(zhuǎn)子直接相連，用于驅(qū)動陀螺儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；所述第二測速碼盤安裝在第二電機的后端，用于測量第二電機轉(zhuǎn)動速度；第二直流電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第二電機轉(zhuǎn)動，第二電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。

進一步的，所述行進驅(qū)動電機模塊包括第三電機、第三電機驅(qū)動器和第三測速碼盤；所述第三電機位于后部固定軸輪中心，嵌入到后部固定軸輪中，與后部固定軸輪一體，驅(qū)動后部固定軸輪的轉(zhuǎn)動；所述第三測速碼盤安裝在第三電機的后端，用于測量第三電機的轉(zhuǎn)速；所述第三電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第三電機轉(zhuǎn)動；第三電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。

進一步的，所述無線傳輸模塊由第一子無線傳輸模塊和第二子無線傳輸模塊組成，所述第一子無線傳輸模塊與平衡控制器相連，所述第二子無線傳輸模塊與上位機相連，第一子無線傳輸模塊和第二子無線傳輸模塊通過無線通訊。

進一步的，所述上位機可以是pc機或服務(wù)器，用于處理視頻流數(shù)據(jù)并遠程控制車身；所述第二子無線傳輸模塊與上位機直接相連，作為上位機的輸入；第一子無線傳輸模塊和第二子無線傳輸模塊通過無線通訊，主要用于上位機接受車身運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻流數(shù)據(jù)。

進一步的，所述電源模塊包括蓄電池和電壓保護電路；所述電源模塊位于車身電路支架內(nèi)，其中電壓保護電路輸入與蓄電池輸出相連，電壓保護電路輸出與電源驅(qū)動電路輸入相連；所述電源驅(qū)動電路包括直流變換電路和穩(wěn)壓電路；所述直流變換電路包括但不限于48v轉(zhuǎn)12v、48v轉(zhuǎn)5v、12v轉(zhuǎn)5v和12v轉(zhuǎn)3.3v等在內(nèi)的直流變換器；所述穩(wěn)壓電路包括但不限于48v、12v、5v和3.3v等在內(nèi)的直流穩(wěn)壓器；所述直流變換電路和穩(wěn)壓電路作為電源的一部分，位于電路支架內(nèi)；所述直流變換電路為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以保證輸出電壓等級包括48v12v5v3.3v等，這些電壓等級分別用于驅(qū)動車身電路支架內(nèi)不同電壓負載；所述穩(wěn)壓電路作為直流變換電路的后級，起到穩(wěn)定電壓輸出的作用。

所述第一電機、第二電機以及第三電機選自直流減速電機、舵機或步進電機中的任意一種，但不限于此。

本發(fā)明的有益效果如下：

自平衡：本發(fā)明能夠分別在靜止和行進兩種狀態(tài)下通過姿態(tài)傳感器和控制器保持自平衡，具有基本的穩(wěn)定性。

無人控制：本發(fā)明能夠在上位機的控制下，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)自主啟停轉(zhuǎn)換和行進控制，而不需要運行過程中實時的人為控制，具有相當?shù)淖灾魈匦浴?/p>

實用性：本發(fā)明中所述的無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠在上位機和平衡控制器的共同作用下實現(xiàn)在多種道路環(huán)境下的行進、加減速和轉(zhuǎn)彎等動作；同時本發(fā)明具有一定的負重能力，可以用于實現(xiàn)人或物的運輸，具有相當?shù)膽?yīng)用前景。

附圖說明

圖1是無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作流程圖；

圖3是無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜止狀態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4是無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行進狀態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖中：車身1、轉(zhuǎn)向控制電機模塊2、攝像頭陣列模塊3、行進驅(qū)動電機模塊4、第一子無線傳輸模塊5、和第二子無線傳輸模塊6、上位機7、車架101、前叉102、前部可動軸輪103、后部固定軸輪104、電路支架105。

具體實施方式

為使得本發(fā)明提供的自主平衡兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)方案和特點更加明確，下面將結(jié)合說明書附圖中的內(nèi)容進行對具體實施方式的詳細描述。應(yīng)當指出的是，下面具體實施方式中所述的內(nèi)容只是所有可行的實施方式中的一種，任何符合本發(fā)明權(quán)利要求書中內(nèi)容的實施方式均屬于本發(fā)明的保護范圍。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

本發(fā)明提供一種無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括：車身1、姿態(tài)檢測傳感器模塊、轉(zhuǎn)向控制電機模塊2、攝像頭陣列模塊3、姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊、行進驅(qū)動電機模塊4、無線傳輸模塊、平衡控制器及上位機7；

姿態(tài)檢測傳感器模塊，用于在靜止或行進狀態(tài)下作為平衡控制器的輸入，作為平衡控制器的控制量輸出的反饋。

攝像頭陣列模塊，用于在行進狀態(tài)下采集車身前方或側(cè)面的實時畫面，通過平衡控制器控制攝像頭陣列模塊向上位機傳輸實時畫面。

轉(zhuǎn)向控制電機模塊，作為行進狀態(tài)下平衡控制器輸出的執(zhí)行機構(gòu)，用于控制并保持車身在行進過程中的平衡。

姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊，作為靜止狀態(tài)下平衡控制器輸出的執(zhí)行機構(gòu)，用于控制并保持車身在靜止過程中的平衡。

行進驅(qū)動電機模塊，用于保持行進狀態(tài)下的行進速度，并在平衡控制器控制下完成車身加速、減速、啟動或停止的過程。

無線傳輸模塊，用于將攝像頭陣列模塊采集到的實時畫面以無線形式傳輸至上位機。

平衡控制器，用于實現(xiàn)車身靜止和行進狀態(tài)下的自平衡、控制向上位機傳輸攝像頭陣列模塊采集的實時畫面以及接受上位機的加速、減速或轉(zhuǎn)向指令。

上位機，用于對傳輸來的實時畫面進行處理和分析，完成對車身的速度及轉(zhuǎn)向控制。

電源模塊，用于為整個系統(tǒng)提供工作電壓。

進一步的，所述車身1包括車架101、前叉102、前部可動軸輪103、后部固定軸輪104和電路支架105；所述前叉102轉(zhuǎn)動安裝在車架101前端；所述前部可動軸輪103安裝在前叉102上，所述后部固定軸輪104安裝在車架101后端；所述電路支架105固定在車架101中上部。

進一步的，所述姿態(tài)檢測傳感器模塊安裝在電路支架105內(nèi)上，所述姿態(tài)檢測傳感器模塊可以采用美國invensense公司mpu-6050型號的產(chǎn)品，但不限于此。,

進一步的，所述攝像頭陣列模塊由若干攝像頭組成，分布在車架101的前方或側(cè)方。

進一步的，所述轉(zhuǎn)向控制電機模塊包括第一電機、第一電機測角盤、第一電機驅(qū)動器；所述第一電機安裝在車架上，其輸出軸與前叉相連，控制前叉的繞車架轉(zhuǎn)動；所述第一電機測角盤安裝在第一電機的后端，用于測量第一電機的轉(zhuǎn)動角度；所述第一電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第一電機轉(zhuǎn)動，第一電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。所述第一電機驅(qū)動器可以采用日本三洋公司lv8731型號的產(chǎn)品，但不限于此。所述平衡控制器可以采用無錫三拓電氣設(shè)備有限公司42byg型號的產(chǎn)品，但不限于此。

進一步的，所述姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊包括陀螺儀轉(zhuǎn)子、陀螺儀支架、第二電機、第二測速碼盤、第二電機驅(qū)動器；其中陀螺儀轉(zhuǎn)子位于陀螺儀支架中心，以高速轉(zhuǎn)動時的角速度保持車身平衡；所述第二電機的輸出與陀螺儀轉(zhuǎn)子直接相連，用于驅(qū)動陀螺儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；所述第二測速碼盤安裝在第二電機的后端，用于測量第二電機轉(zhuǎn)動速度；第二直流電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第二電機轉(zhuǎn)動，第二電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。所述第二電機驅(qū)動器可以采用東莞市德晟電機有限公司ws-50zyt78-r型號的產(chǎn)品，但不限于此。

進一步的，所述行進驅(qū)動電機模塊包括第三電機、第三電機驅(qū)動器和第三測速碼盤；所述第三電機位于后部固定軸輪中心，嵌入到后部固定軸輪中，與后部固定軸輪一體，驅(qū)動后部固定軸輪的轉(zhuǎn)動；所述第三測速碼盤安裝在第三電機的后端，用于測量第三電機的轉(zhuǎn)速；所述第三電機驅(qū)動器設(shè)置在電路支架內(nèi)，其輸出直接驅(qū)動第三電機轉(zhuǎn)動；第三電機驅(qū)動器與平衡控制器相連。所述第三電機驅(qū)動器可以采用臺州市全順電機有限公司35h型號的產(chǎn)品，但不限于此。

進一步的，所述無線傳輸模塊由第一子無線傳輸模塊5和第二子無線傳輸模塊6組成，所述第一子無線傳輸模塊5與平衡控制器相連，所述第二子無線傳輸模塊6與上位機相連，第一子無線傳輸模塊5和第二子無線傳輸模塊6通過無線通訊。所述無線傳輸模塊可以采用深圳市極限電子科技有限公司tx6722型號的產(chǎn)品，但不限于此。

進一步的，所述上位機可以是pc機或服務(wù)器，用于處理視頻流數(shù)據(jù)并遠程控制車身；所述第二子無線傳輸模塊6與上位機直接相連，作為上位機的輸入；第一子無線傳輸模塊5和第二子無線傳輸模塊6通過無線通訊，主要用于上位機接受車身運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻流數(shù)據(jù)。

進一步的，所述電源模塊包括蓄電池和電壓保護電路；所述電源模塊位于車身電路支架內(nèi)，其中電壓保護電路輸入與蓄電池輸出相連，電壓保護電路輸出與電源驅(qū)動電路輸入相連；所述電源驅(qū)動電路包括直流變換電路和穩(wěn)壓電路；所述直流變換電路包括但不限于48v轉(zhuǎn)12v、48v轉(zhuǎn)5v、12v轉(zhuǎn)5v和12v轉(zhuǎn)3.3v等在內(nèi)的直流變換器；所述穩(wěn)壓電路包括但不限于48v、12v、5v和3.3v等在內(nèi)的直流穩(wěn)壓器；所述直流變換電路和穩(wěn)壓電路作為電源的一部分，位于電路支架內(nèi)；所述直流變換電路為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以保證輸出電壓等級包括48v12v5v3.3v等，這些電壓等級分別用于驅(qū)動車身電路支架內(nèi)不同電壓負載；所述穩(wěn)壓電路作為直流變換電路的后級，起到穩(wěn)定電壓輸出的作用。

本發(fā)明中提出的一種無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。其具體過程是，首先通過上位機的人機指令接口選擇系統(tǒng)的運行狀態(tài)，分別為靜止狀態(tài)、啟動加速狀態(tài)、行進狀態(tài)和停止減速狀態(tài)：

1)靜止狀態(tài)：

當系統(tǒng)工作在靜止狀態(tài)時，系統(tǒng)的主要工作部分為平衡控制器、姿態(tài)檢測傳感器模塊、姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊、無線傳輸模塊和上位機。其具體的工作方式為：首先，姿態(tài)檢測傳感器模塊實時檢測無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車身的傾角，并通過無線傳輸模塊向上位機發(fā)送傾角信息；接著，平衡控制器以傾角為輸入計算出陀螺儀轉(zhuǎn)子的速度，控制第二電機的輸入電壓占空比；然后以計算出的占空比通過第二驅(qū)動電路驅(qū)動器，驅(qū)動第二電機使陀螺儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而使得系統(tǒng)在姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊的作用下恢復(fù)到平衡狀態(tài)，同時將陀螺儀轉(zhuǎn)子由第二測速碼盤測得的轉(zhuǎn)速通過無線傳輸模塊向上位機發(fā)送。最后，平衡控制器通過無線傳輸模塊接收上位機指令從而選擇是否保持靜止狀態(tài)或是進入啟動加速狀態(tài)。

2)啟動加速狀態(tài)：

此狀態(tài)為靜止狀態(tài)和行進狀態(tài)的過渡狀態(tài)，當系統(tǒng)工作在啟動加速狀態(tài)時，系統(tǒng)除攝像頭陣列模塊外所有部分均進入工作。其具體的工作方式為：首先，平衡控制器通過無線傳輸模塊接收上位機的行進速度指令；接著第三電機會逐漸使得車身加速到設(shè)定值，并且在此過程中平衡控制器將切換靜止和行進狀態(tài)下的控制算法并將車身的平衡控制執(zhí)行機構(gòu)由姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向控制電機模塊；最后，當車身的行進速度加速到設(shè)定值后，通過第三測速碼盤反饋控制車身的行進速度，并使之保持穩(wěn)定。

3)行進狀態(tài)：

當系統(tǒng)工作在行進狀態(tài)時，系統(tǒng)除姿態(tài)調(diào)整陀螺儀模塊外的所有部分均進入工作。首先，姿態(tài)檢測傳感器模塊實時檢測車身的傾角，并通過無線傳輸模塊向上位機發(fā)送傾角信息以及攝像頭陣列模塊采集到的道路信息；接著，上位機通過無線傳輸模塊接收道路信息，并通過現(xiàn)有的視頻流預(yù)處理、障礙檢測分析算法、車身的行進速度和方向生成算法計算得到車身動態(tài)行進速度并通過無線傳輸模塊發(fā)送給車身平衡控制器；然后，平衡控制器通過無線傳輸模塊接收上位機的行進速度和方向指令，通過姿態(tài)檢測傳感器模塊的輸出傾角和上位機的方向指令為輸入通過平衡控制器計算出第一電機的輸出角度以保持系統(tǒng)平衡或以一定角度轉(zhuǎn)向，并以第三測速碼盤輸出和上位機行進速度控制指令為輸入，通過輸出改變第三電機的轉(zhuǎn)速。最后，平衡控制器通過無線傳輸模塊接收上位機指令從而選擇是否保持行進狀態(tài)或是進入停止減速狀態(tài)

4)停止減速狀態(tài)

此狀態(tài)為行進狀態(tài)和行進狀態(tài)的過渡狀態(tài)，當系統(tǒng)工作在停止減速狀態(tài)時，系統(tǒng)除攝像頭陣列模塊外所有部分均進入工作。其具體的工作方式為：首先，平衡控制器將控制第三電機會逐漸使得車身減速，并且在此過程中平衡控制器將切換行進和靜止狀態(tài)下的控制算法并將車身的平衡控制執(zhí)行機構(gòu)由轉(zhuǎn)向控制電機模塊轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)調(diào)整陀螺儀模塊；最后，當車身的行進速度減速到零后，進入到靜止狀態(tài)并保持平衡。

二、平衡控制算法

平衡控制算法包括兩個部分，分別為靜止狀態(tài)下的平衡控制算法和行進狀態(tài)下的控制算法，具體實施過程如下：

首先根據(jù)兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車身的物理特征，分別建立其靜止和行進狀態(tài)下的動力學(xué)模型；再根據(jù)所建立的靜止和行進狀態(tài)下的動力學(xué)模型，求得車身的傳遞函數(shù)并進行適當簡化，從而得到靜止和行進狀態(tài)的傳遞函數(shù)hs(s)和hd(s)；然后由已經(jīng)得到的簡化過的靜止和行進狀態(tài)下的兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，設(shè)計相應(yīng)的控制器gs(s)和gd(s)；最后分別利用靜止和行進狀態(tài)下的控制器輸出控制量使得車身在兩種條件下保持平衡。

上述具體實施過程得到的無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜止狀態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中控制系統(tǒng)的輸入為車身的傾角輸出為陀螺儀轉(zhuǎn)子速度，控制第二電機驅(qū)動電壓占空比d。

上述具體實施過程得到的無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行進狀態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其中控制系統(tǒng)的輸入為無人自平衡行駛兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車身的傾角輸出為第二電機的轉(zhuǎn)角角度θ。