[发明专利]一种增稳装置及其算法及基于该装置的独轮小车

说明书

技术领域

本发明涉及智能平衡车领域，具体的说，是涉及一种通过自动检测物体平衡状态并控制物体保持平衡状态的增稳装置。

背景技术

随着智能生活的到来，各种平衡车逐步出现，如何实现不依靠三个以上的支撑部位而实现物体平衡或者增加稳定性成为技术难题。尤其是独轮车，如何使其不因外力的作用而失衡，这就亟需一种增稳装置来解决问题。

现有增稳装置普遍通过增加支撑点的方式实现，对于只有一个支撑点的活动物体，缺乏智能式的稳定调节装置，本方案利用角动量守恒原理，通过自动控制惯性轮转速的方式，实现了对于稳定性的调节。

现有方案如申请公布号为CN102815357A的《一种基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车》通过多种传感器等部件实现了自平衡载人独轮车，其依托行走轮、平衡轮、控制手柄等测速编码器，通过加装加速度传感器和数据融合算法，实现对平衡轮和驱动轮的控制。与其相比，本独轮小车没有控制手柄扭转角度编码器、显示屏等装置，利用更少的装置实现了自平衡独轮车的功能。并且在其基础上增加了水平偏航方向的角度控制，使得独轮车在翻滚，俯仰，偏航三个维度上都实现了可控。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种增稳装置，这种增稳装置可以搭载于需保持平衡的物体上，通过实时检测其现有姿态，与设置的标准姿态进行比对，计算相应误差后向控制连接惯性轮的电机输出相应的矫正力矩，从而实现物体的稳定。

该增稳装置主要由惯性轮、驱动电机、微处理器、姿态检测装置、加速度计组成, 驱动电机与惯性轮机械上相连接，传导力矩，微处理器分别与驱动电机、姿态检测装置、加速度计在电路上连接。微处理器主要用于进行计算和控制，包含ARM处理器，所述姿态检测装置能够检测承载着惯性轮轮的物体的平衡状态，并发送检测到的数据给处理器，典型的姿态检测装置如陀螺仪。

该增稳装置主要是运用角动量守恒原理，当物体的平衡状态改变时，姿态检测装置会发出改变的数据给处理器，处理器将当前的姿态数据与稳定状态时的数据作比较，判断是否在保持物体稳定的误差范围内，当不在误差范围内时，则控制驱动电机旋转，从而带动惯性轮旋转，运用角动量守恒原理，通过控制惯性轮的转速来实现对平衡状态的修正，从而实现增稳的目的。

具体原理：转向原理为，利用水平方向角动量守恒，控制惯性轮旋转来控制水平的转矩；前进后退原理为，通过改变小车俯仰方向的倾角来控制前后方向的加速度，进而控制小车前进速度。

为了进一步扩充本增稳装置的功能，还可以附加电子罗盘、舵机等装置，电子罗盘具备水平指向稳定性，实现稳定状态的显示。舵机增加增稳装置在不同姿态下的增稳表现。

在实际应用中，通常不只需要一个方向的增稳，可以通过在空间坐标系的三个轴向上，任选两个轴向，设置两套增稳装置来实现两个轴向上的增稳。当然，还可以在三个轴向上均设置增稳装置。

为了更好的发挥本增稳装置的功能，本发明还提供了一种基于本增稳装置的算法，其具体的步骤如下，其中涉及的到的偏航角、俯仰角、翻滚角如图1所示：

步骤一：设定增稳装置在确保稳定状态下时姿态数据的误差范围，获取搭载增稳装置的物体处于直立状态时的数据；

步骤二：用外力将搭载增稳装置的物体放置于直立状态，检查陀螺仪和加速度计的数据，对两者数据进行卡尔曼滤波融合，得到当前的姿态数据；

步骤三：将当前的姿态数据与直立状态时的数据作差得到偏差数据；

步骤四：判断俯仰方向角度偏差数据的大小是否在设定的允许范围内（一般为±3度）

步骤五：若没有超出误差范围，则开启前进驱动电机，根据误差数据的大小，控制驱动电机的力矩，否则重复步骤二；

步骤六：去掉施加在搭载增稳装置的物体上的外力，判断搭载增稳装置的物体翻滚方向角度偏差数据的大小是否超过设定的阈值；

步骤七：若超出设定阈值，则开启翻滚方向驱动电机进行翻滚方向增稳，控制惯性轮驱动电机转动，否则，重复骤六；

步骤八：检测是否收到停止增稳装置工作的信号，若收到停止信号，则一切数据归零，电机控制停止；若收到转向和前进后退信号，则分别控制偏航方向惯性轮和前进轮改变转动状态；

步骤九：重复步骤六。

上述步骤中，步骤八非必须的步骤，步骤八也可调整到步骤一至步骤五中的任意步骤中。

本发明有如下有益效果：

（1）实现了自动修正物体的平衡状态。

（2）对于自平衡独轮车提出了一种更简洁的实现方案。