無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括平衡控制自行車(chē)模型，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)試裝置和系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)；姿態(tài)測(cè)試裝置安裝在平衡控制自行車(chē)模型上，平衡控制自行車(chē)模型由車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)控制；平衡控制自行車(chē)模型則向車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā)送無(wú)線信號(hào)，給出車(chē)身各姿態(tài)測(cè)試裝置的實(shí)時(shí)參數(shù)；同時(shí)車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)將獲取的姿態(tài)測(cè)試裝置實(shí)時(shí)參數(shù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)整合分析數(shù)據(jù)，用于研究車(chē)身平衡控制原理。本發(fā)明可以為自動(dòng)化、檢測(cè)技術(shù)、控制工程、機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)等諸多專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供一種試驗(yàn)平臺(tái)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自動(dòng)控制與檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尤其自行車(chē)自動(dòng)控制、穩(wěn)定性 分析及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)的試驗(yàn)研究裝置，屬于平衡控制系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002] 自行車(chē)是人人熟悉的，極為方便的代步工具，可以說(shuō)是人類(lèi)發(fā)明最成功的一種人 力機(jī)械之一。自18世紀(jì)被發(fā)明以來(lái)，自行車(chē)形狀、傳動(dòng)以及輔助裝置經(jīng)歷了不斷的創(chuàng)新發(fā) 展，最終形成現(xiàn)在的模型。伴隨著自行車(chē)的變化，人類(lèi)對(duì)其工作原理的研究也從未停止，包 括最被人接受的陀螺效應(yīng)，前輪尾跡效應(yīng)，到離心力作用，然而，迄今還未能徹底研究清楚 自行車(chē)維持平衡運(yùn)動(dòng)的原理。
[0003] 目前，對(duì)于自行車(chē)維持穩(wěn)定平衡原理的研究多以理論性演算為主。構(gòu)造一款能夠 測(cè)量前后輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、車(chē)架的位姿，調(diào)節(jié)前輪尾跡、感知周?chē)h(huán)境的無(wú)人自行車(chē)，對(duì)于探索 自行車(chē)的自穩(wěn)原理，激發(fā)學(xué)生或科技愛(ài)好的學(xué)習(xí)興趣，具有重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 采用在日常生活中人人都使用的而穩(wěn)定原理卻不清楚的普通代步工具作為基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合多種運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)測(cè)量單元，構(gòu)成一套多功能的實(shí)驗(yàn)裝置一無(wú)人自行車(chē)實(shí) 驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅可供專(zhuān)業(yè)研究人員探索自行車(chē)維持平衡的原理，還可以供一般科 技愛(ài)好者學(xué)習(xí)自動(dòng)化控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)。這種無(wú)人自行車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可供職業(yè)教育以及高 等教育學(xué)校中自動(dòng)化、交通、電子信息、通信工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生使用。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括平衡控制自行車(chē)模型，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)、姿 態(tài)測(cè)試裝置和系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)；所述姿態(tài)測(cè)試裝置安裝在平衡控制自行車(chē)模 型上，所述平衡控制自行車(chē)模型由車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)控制，通過(guò)修改各項(xiàng)參 數(shù)從而控制車(chē)身穩(wěn)定；平衡控制自行車(chē)模型則向車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā)送無(wú)線信號(hào)，給出車(chē) 身各姿態(tài)測(cè)試裝置的實(shí)時(shí)參數(shù)，從而使車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；同時(shí)車(chē)身穩(wěn)定控 制系統(tǒng)將獲取的姿態(tài)測(cè)試裝置實(shí)時(shí)參數(shù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，系 統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)整合分析數(shù)據(jù)，用于研究車(chē)身平衡控制原理。
[0006] 上述平衡控制自行車(chē)模型包括前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、能量源、前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置； 所述能量源為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置用于自動(dòng)調(diào)節(jié)前輪尾跡的大?。?所述前輪轉(zhuǎn)向通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)處理器提供PWM波控制轉(zhuǎn)向角度，所述前后輪驅(qū)動(dòng)均 獨(dú)立作為驅(qū)動(dòng)輪。
[0007] 上述姿態(tài)測(cè)試裝置包括： 前輪速度測(cè)量編碼器、后輪速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型前后輪速度； 前輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器、后輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型運(yùn)動(dòng) 中前輪轉(zhuǎn)向和前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及角速度； 安裝于車(chē)架上的車(chē)身姿態(tài)三軸陀螺儀，用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸方向的傾斜度。車(chē)架 是構(gòu)成自行車(chē)的基本結(jié)構(gòu)體，是自行車(chē)的骨架和主體。安裝時(shí)，要求陀螺儀與車(chē)架處于同一 平面； 安裝于車(chē)架幾何中心位置的車(chē)身姿態(tài)三軸加速度傳感器，用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸方 向的加速度。
[0008] 上述車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括： 車(chē)身平衡的配重控制系統(tǒng)，用于控制車(chē)身的側(cè)平衡(如直立，或維持一定傾斜角度）； 前輪方向速度控制系統(tǒng)，用于控制前輪驅(qū)動(dòng)速度和前輪轉(zhuǎn)向角度； 車(chē)身方向速度控制系統(tǒng)，用于在車(chē)身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行方向控制和后輪驅(qū)動(dòng)控制； 車(chē)身狀態(tài)顯示系統(tǒng)，通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示車(chē)身姿態(tài)和各模塊控制參數(shù)； 可編程控制裝置，包括可編程控制開(kāi)關(guān)和可編程控制按鈕，編程控制開(kāi)關(guān)組成2?8重 二進(jìn)制控制方案，并由信號(hào)燈指示；可編程控制按鈕，用以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車(chē)身控制參數(shù)； 報(bào)警裝置，用于系統(tǒng)程序跑飛，陷入死循環(huán)及系統(tǒng)硬件模塊損壞的系統(tǒng)自檢裝置。
[0009] 上述整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無(wú)線通信的任 何一種。
[0010] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果： 1、自行車(chē)是一種非常方便的、幾乎人人都用的綠色交通工具，然而其為何能夠穩(wěn)定，迄 今還不清楚。即使在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，自行車(chē)的穩(wěn)定機(jī)制依舊沒(méi)有普遍接受的解釋。
[0011] 2、無(wú)人自行車(chē)的研究為汽車(chē)安全提供了關(guān)鍵的解決方法，吸引人們探索其中的環(huán) 境感知與運(yùn)動(dòng)控制等方面的研究。無(wú)人自行車(chē)無(wú)疑是一種很好的無(wú)人車(chē)的替代試驗(yàn)品。此 夕卜，不同于汽車(chē)，自行車(chē)屬于兩輪交通工具，控制難度還有所增加。
[0012] 3、無(wú)人自行車(chē)不僅能夠?yàn)閷W(xué)生或科技愛(ài)好者提供一種試驗(yàn)系統(tǒng)，而且能夠?yàn)閷?zhuān)業(yè) 研究人員測(cè)試各種自行車(chē)穩(wěn)定理論提供了便捷的測(cè)試平臺(tái)。
[0013] 4、本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)前輪尾跡的大小，研究各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下前輪尾跡的作 用，在各種運(yùn)動(dòng)速度--決慢，不同運(yùn)動(dòng)方式--如直行、轉(zhuǎn)彎，等諸多調(diào)節(jié)下研究前輪尾 跡效應(yīng)。
[0014] 5、無(wú)人自行車(chē)涉及到狀態(tài)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知等諸多方面，可以為自動(dòng)化、 檢測(cè)技術(shù)、控制工程、機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)等諸多專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供一種試驗(yàn)平臺(tái)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖； 圖2是平衡控制自行車(chē)模型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017] 如圖1所示，一種無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括平衡控制自行車(chē)模型，車(chē)身 穩(wěn)定控制系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)試裝置和系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)；所述姿態(tài)測(cè)試裝置安裝在 平衡控制自行車(chē)模型上，所述平衡控制自行車(chē)模型由車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)控 制，通過(guò)修改各項(xiàng)參數(shù)從而控制車(chē)身穩(wěn)定；平衡控制自行車(chē)模型則向車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā) 送無(wú)線信號(hào)，給出車(chē)身各姿態(tài)測(cè)試裝置的實(shí)時(shí)參數(shù)，從而使車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控 制；同時(shí)車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)將獲取的姿態(tài)測(cè)試裝置實(shí)時(shí)參數(shù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給系統(tǒng)平衡狀態(tài) 監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)整合分析數(shù)據(jù)，用于研究車(chē)身平衡控制原 理。
[0018] 如圖2所示，上述平衡控制自行車(chē)模型包括前輪驅(qū)動(dòng)1、后輪驅(qū)動(dòng)2、能量源3、前輪 尾跡調(diào)節(jié)裝置； 所述能量源3為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置用于自動(dòng)調(diào)節(jié)前輪尾跡的大??； 所述前輪轉(zhuǎn)向通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)處理器提供PWM波控制轉(zhuǎn)向角度，所述前后輪驅(qū)動(dòng)均 獨(dú)立作為驅(qū)動(dòng)輪。
[0019] 上述姿態(tài)測(cè)試裝置包括： 前輪速度測(cè)量編碼器、后輪速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型前后輪速度； 前輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器、后輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型運(yùn)動(dòng) 中前輪轉(zhuǎn)向和前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及角速度； 安裝于車(chē)架上的車(chē)身姿態(tài)三軸陀螺儀，用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸方向的傾斜度。車(chē)架 是構(gòu)成自行車(chē)的基本結(jié)構(gòu)體，是自行車(chē)的骨架和主體。安裝時(shí)，要求陀螺儀與車(chē)架處于同一 平面； 安裝于車(chē)架幾何中心位置的車(chē)身姿態(tài)三軸加速度傳感器8,用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸 方向的加速度。
[0020] 如圖3所示，上述車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括： 車(chē)身平衡的配重控制系統(tǒng)4,用于控制車(chē)身的側(cè)平衡(如直立，或維持一定傾斜角度）； 前輪方向速度控制系統(tǒng)5,用于控制前輪驅(qū)動(dòng)速度和前輪轉(zhuǎn)向角度； 車(chē)身方向速度控制系統(tǒng)7,用于在車(chē)身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行方向控制和后輪驅(qū)動(dòng)控制； 車(chē)身狀態(tài)顯示系統(tǒng)，通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示車(chē)身姿態(tài)和各模塊控制參數(shù)； 可編程控制裝置，包括可編程控制開(kāi)關(guān)和可編程控制按鈕，編程控制開(kāi)關(guān)組成2?8重 二進(jìn)制控制方案，并由信號(hào)燈指示；可編程控制按鈕，用以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車(chē)身控制參數(shù)； 報(bào)警裝置，用于系統(tǒng)程序跑飛，陷入死循環(huán)及系統(tǒng)硬件模塊損壞的系統(tǒng)自檢裝置。
[0021] 上述整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無(wú)線通信的任 何一種。
[0022] 實(shí)施例： 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以測(cè)試的參數(shù)詳見(jiàn)表1
【權(quán)利要求】
1. 一種無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征是包括平衡控制自行車(chē)模型，車(chē)身穩(wěn)定 控制系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)試裝置和系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)；所述姿態(tài)測(cè)試裝置安裝在平衡 控制自行車(chē)模型上，所述平衡控制自行車(chē)模型由車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)控制，通 過(guò)修改各項(xiàng)參數(shù)從而控制車(chē)身穩(wěn)定；平衡控制自行車(chē)模型則向車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā)送無(wú)線 信號(hào)，給出車(chē)身各姿態(tài)測(cè)試裝置的實(shí)時(shí)參數(shù)，從而使車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；同時(shí) 車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)將獲取的姿態(tài)測(cè)試裝置實(shí)時(shí)參數(shù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與 分析系統(tǒng)，系統(tǒng)平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)整合分析數(shù)據(jù)，用于研究車(chē)身平衡控制原理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述平衡控制 自行車(chē)模型包括前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、能量源、前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置； 所述能量源為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調(diào)節(jié)裝置用于自動(dòng)調(diào)節(jié)前輪尾跡的大??； 所述前輪轉(zhuǎn)向通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)處理器提供PWM波控制轉(zhuǎn)向角度，所述前后輪驅(qū)動(dòng)均 獨(dú)立作為驅(qū)動(dòng)輪。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述姿態(tài)測(cè)試 裝置包括： 前輪速度測(cè)量編碼器、后輪速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型前后輪速度； 前輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器、后輪轉(zhuǎn)向角速度測(cè)量編碼器，用于測(cè)量自行車(chē)模型運(yùn)動(dòng) 中前輪轉(zhuǎn)向和前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及角速度； 安裝于車(chē)架上的車(chē)身姿態(tài)三軸陀螺儀，用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸方向的傾斜度； 車(chē)架是構(gòu)成自行車(chē)的基本結(jié)構(gòu)體，是自行車(chē)的骨架和主體； 安裝時(shí)，要求陀螺儀與車(chē)架處于同一平面； 安裝于車(chē)架幾何中心位置的車(chē)身姿態(tài)三軸加速度傳感器，用于測(cè)量車(chē)身平衡時(shí)三軸方 向的加速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述車(chē)身穩(wěn)定 控制系統(tǒng)包括： 車(chē)身平衡的配重控制系統(tǒng)，用于控制車(chē)身的側(cè)平衡； 前輪方向速度控制系統(tǒng)，用于控制前輪驅(qū)動(dòng)速度和前輪轉(zhuǎn)向角度； 車(chē)身方向速度控制系統(tǒng)，用于在車(chē)身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行方向控制和后輪驅(qū)動(dòng)控制； 車(chē)身狀態(tài)顯示系統(tǒng)，通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示車(chē)身姿態(tài)和各模塊控制參數(shù)； 可編程控制裝置，包括可編程控制開(kāi)關(guān)和可編程控制按鈕，編程控制開(kāi)關(guān)組成2?8重 二進(jìn)制控制方案，并由信號(hào)燈指示；可編程控制按鈕，用以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車(chē)身控制參數(shù)； 報(bào)警裝置，用于系統(tǒng)程序跑飛，陷入死循環(huán)及系統(tǒng)硬件模塊損壞的系統(tǒng)自檢裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人自行車(chē)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：所述整個(gè)系統(tǒng) 的無(wú)線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無(wú)線通信的任何一種。
【文檔編號(hào)】G01M17/007GK104122098SQ201410375439
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】劉小峰, 馬峰, 向超勝, 蔣愛(ài)民, 徐寧, 周小芹 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)
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