技术领域
[0001] 本
发明涉及无人驾驶车辆的运动控制领域，具体涉及一种无人自平衡行驶两轮转向系统。
背景技术
[0002] 现今有关无人驾驶
汽车的研究和应用已经渐渐进入成熟阶段，但是有关无人
自行车的研究却很少、相关应用则更少。我国是一个自行车大国，自行车的保有量居世界第一，但是却始终没能够实现无人的、能自动平衡和自主行驶的系统。现有的关于无人自平衡行驶两轮转向系统多是在行进速度不变或是完全静止的前提下保持平衡，并不能做到包括启停控制，路况检测和自动行驶在内的功能。
发明内容
[0003] 针对上述不足，本发明提供了一种无人自平衡行驶两轮转向系统，其能够分别在静止和行进状态下保持平衡、能够完成静止状态和行进状态的启停转换、能够根据预设指令在行进状态下保持平衡并依据路况检测结果自动行进。
[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种无人自平衡行驶两轮转向系统，包括：
车身、
姿态检测
传感器模
块、摄像头阵列模块、转向控制
电机模块、姿态调整
陀螺仪模块、行进
驱动电机模块、无线传输模块、平衡
控制器及上位机；
[0005] 姿态检测传感器模块，用于在静止或行进状态下作为平衡控制器的输入，作为平衡控制器的控制量输出的反馈。
[0006] 摄像头阵列模块，用于在行进状态下采集车身前方或侧面的实时画面，通过平衡控制器控制摄像头阵列模块向上位机传输实时画面。
[0007] 转向控制电机模块，作为行进状态下平衡控制器输出的执行机构，用于控制并保持车身在行进过程中的平衡。
[0008] 姿态调整陀螺仪模块，作为静止状态下平衡控制器输出的执行机构，用于控制并保持车身在静止过程中的平衡。
[0009] 行进驱动电机模块，用于保持行进状态下的行进速度，并在平衡控制器控制下完成车身
加速、减速、启动或停止的过程。
[0010] 无线传输模块，用于将摄像头阵列模块采集到的实时画面以无线形式传输至上位机。
[0011] 平衡控制器，用于实现车身静止和行进状态下的自平衡、控制向上位机传输摄像头阵列模块采集的实时画面以及接受上位机的加速、减速或转向指令。
[0012] 上位机，用于将传输来的实时画面进行处理和分析，完成对车身的速度及转向控制。
[0013] 电源模块，用于为整个系统提供工作
电压。
[0014] 进一步的，所述车身包括车架、
前叉、前部可动轴轮、后部固定轴轮和
电路支架；所述前叉转动安装在车架前端；所述前部可动轴轮安装在前叉上，所述后部固定轴轮安装在车架后端；所述电路支架固定在车架中上部。
[0015] 进一步的，所述姿态检测传感器模块安装在电路支架内上。
[0016] 进一步的，所述摄像头阵列模块由若干摄像头组成，分布在车架的前方或侧方。
[0017] 进一步的，所述转向控制电机模块包括第一电机、第一电机测
角盘、第一电机
驱动器；所述第一电机安装在车架上，其
输出轴与前叉相连，控制前叉的绕车架转动；所述第一电机测角盘安装在第一电机的后端，用于测量第一电机的转动角度；所述第一电机驱动器设置在电路支架内，其输出
直接驱动第一电机转动，第一电机驱动器与平衡控制器相连。
[0018] 进一步的，所述姿态调整陀螺仪模块包括陀螺仪
转子、陀螺仪支架、第二电机、第二测速码盘、第二电机驱动器；其中陀螺仪转子位于陀螺仪支架中心，以高速转动时的
角速度保持车身平衡；所述第二电机的输出与陀螺仪转子直接相连，用于驱动陀螺仪转子转动；所述第二测速码盘安装在第二电机的后端，用于测量第二电机转动速度；第二直流电机驱动器设置在电路支架内，其输出直接驱动第二电机转动，第二电机驱动器与平衡控制器相连。
[0019] 进一步的，所述行进驱动电机模块包括第三电机、第三电机驱动器和第三测速码盘；所述第三电机位于后部固定轴轮中心，嵌入到后部固定轴轮中，与后部固定轴轮一体，驱动后部固定轴轮的转动；所述第三测速码盘安装在第三电机的后端，用于测量第三电机的转速；所述第三电机驱动器设置在电路支架内，其输出直接驱动第三电机转动；第三电机驱动器与平衡控制器相连。
[0020] 进一步的，所述无线传输模块由第一子无线传输模块和第二子无线传输模块组成，所述第一子无线传输模块与平衡控制器相连，所述第二子无线传输模块与上位机相连，第一子无线传输模块和第二子无线传输模块通过无线通讯。
[0021] 进一步的，所述上位机可以是PC机或
服务器，用于处理
视频流数据并远程控制车身；所述第二子无线传输模块与上位机直接相连，作为上位机的输入；第一子无线传输模块和第二子无线传输模块通过无线通讯，主要用于上位机接受车身运行状态数据和视频流数据。
[0022] 进一步的，所述电源模块包括
蓄电池和
电压保护电路；所述电源模块位于车身电路支架内，其中电压保护电路输入与
蓄电池输出相连，电压保护电路输出与电源驱动电路输入相连；所述电源驱动电路包括直流变换电路和稳压电路；所述直流变换电路包括但不限于48V转12V、48V转5V、12V转5V和12V转3.3V等在内的直流变换器；所述稳压电路包括但不限于48V、12V、5V和3.3V等在内的直流稳压器；所述直流变换电路和稳压电路作为电源的一部分，位于电路支架内；所述直流变换电路为级联结构，以保证
输出电压等级包括48V12V5V3.3V等，这些电压等级分别用于驱动车身电路支架内不同电压负载；所述稳压电路作为直流变换电路的后级，起到稳定电压输出的作用。
[0023] 所述第一电机、第二电机以及第三电机选自直流减速电机、
舵机或步进电机中的任意一种，但不限于此。
[0024] 本发明的有益效果如下：
[0025] 自平衡：本发明能够分别在静止和行进两种状态下通过姿态传感器和控制器保持自平衡，具有基本的
稳定性。
[0026] 无人控制：本发明能够在上位机的控制下，本系统可以实现自主启停转换和行进控制，而不需要运行过程中实时的人为控制，具有相当的自主特性。
[0027] 实用性：本发明中所述的无人自平衡行驶两轮转向系统能够在上位机和平衡控制器的共同作用下实现在多种道路环境下的行进、加减速和转弯等动作；同时本发明具有一定的负重能
力，可以用于实现人或物的运输，具有相当的应用前景。
附图说明
[0028] 图1是无人自平衡行驶两轮转向系统的结构示意图；
[0029] 图2是无人自平衡行驶两轮转向系统工作
流程图；
[0030] 图3是无人自平衡行驶两轮转向系统静止状态控制系统结构图；
[0031] 图4是无人自平衡行驶两轮转向系统行进状态控制系统结构图；
[0032] 图中：车身1、转向控制电机模块2、摄像头阵列模块3、行进驱动电机模块4、第一子无线传输模块5、和第二子无线传输模块6、上位机7、车架101、前叉102、前部可动轴轮103、后部固定轴轮104、电路支架105。
具体实施方式
[0033] 为使得本发明提供的自主平衡两轮转向系统的技术方案和特点更加明确，下面将结合
说明书附图中的内容进行对具体实施方式的详细描述。应当指出的是，下面具体实施方式中所述的内容只是所有可行的实施方式中的一种，任何符合本发明
权利要求书中内容的实施方式均属于本发明的保护范围。
[0034] 一、系统结构和工作流程
[0035] 本发明提供一种无人自平衡行驶两轮转向系统，包括：车身1、姿态检测传感器模块、转向控制电机模块2、摄像头阵列模块3、姿态调整陀螺仪模块、行进驱动电机模块4、无线传输模块、平衡控制器及上位机7；
[0036] 姿态检测传感器模块，用于在静止或行进状态下作为平衡控制器的输入，作为平衡控制器的控制量输出的反馈。
[0037] 摄像头阵列模块，用于在行进状态下采集车身前方或侧面的实时画面，通过平衡控制器控制摄像头阵列模块向上位机传输实时画面。
[0038] 转向控制电机模块，作为行进状态下平衡控制器输出的执行机构，用于控制并保持车身在行进过程中的平衡。
[0039] 姿态调整陀螺仪模块，作为静止状态下平衡控制器输出的执行机构，用于控制并保持车身在静止过程中的平衡。
[0040] 行进驱动电机模块，用于保持行进状态下的行进速度，并在平衡控制器控制下完成车身加速、减速、启动或停止的过程。
[0041] 无线传输模块，用于将摄像头阵列模块采集到的实时画面以无线形式传输至上位机。
[0042] 平衡控制器，用于实现车身静止和行进状态下的自平衡、控制向上位机传输摄像头阵列模块采集的实时画面以及接受上位机的加速、减速或转向指令。
[0043] 上位机，用于对传输来的实时画面进行处理和分析，完成对车身的速度及转向控制。
[0044] 电源模块，用于为整个系统提供工作电压。
[0045] 进一步的，所述车身1包括车架101、前叉102、前部可动轴轮103、后部固定轴轮104和电路支架105；所述前叉102转动安装在车架101前端；所述前部可动轴轮103安装在前叉102上，所述后部固定轴轮104安装在车架101后端；所述电路支架105固定在车架101中上部。
[0046] 进一步的，所述姿态检测传感器模块安装在电路支架105内上，所述姿态检测传感器模块可以采用美国InvenSense公司MPU-6050型号的产品，但不限于此。,[0047] 进一步的，所述摄像头阵列模块由若干摄像头组成，分布在车架101的前方或侧方。
[0048] 进一步的，所述转向控制电机模块包括第一电机、第一电机测角盘、第一电机驱动器；所述第一电机安装在车架上，其输出轴与前叉相连，控制前叉的绕车架转动；所述第一电机测角盘安装在第一电机的后端，用于测量第一电机的转动角度；所述第一电机驱动器设置在电路支架内，其输出直接驱动第一电机转动，第一电机驱动器与平衡控制器相连。所述第一电机驱动器可以采用日本三洋公司LV8731型号的产品，但不限于此。所述平衡控制器可以采用无
锡三拓电气设备有限公司42BYG型号的产品，但不限于此。
[0049] 进一步的，所述姿态调整陀螺仪模块包括陀螺仪转子、陀螺仪支架、第二电机、第二测速码盘、第二电机驱动器；其中陀螺仪转子位于陀螺仪支架中心，以高速转动时的角速度保持车身平衡；所述第二电机的输出与陀螺仪转子直接相连，用于驱动陀螺仪转子转动；所述第二测速码盘安装在第二电机的后端，用于测量第二电机转动速度；第二直流电机驱动器设置在电路支架内，其输出直接驱动第二电机转动，第二电机驱动器与平衡控制器相连。所述第二电机驱动器可以采用东莞市德晟电机有限公司WS-50ZYT78-R型号的产品，但不限于此。
[0050] 进一步的，所述行进驱动电机模块包括第三电机、第三电机驱动器和第三测速码盘；所述第三电机位于后部固定轴轮中心，嵌入到后部固定轴轮中，与后部固定轴轮一体，驱动后部固定轴轮的转动；所述第三测速码盘安装在第三电机的后端，用于测量第三电机的转速；所述第三电机驱动器设置在电路支架内，其输出直接驱动第三电机转动；第三电机驱动器与平衡控制器相连。所述第三电机驱动器可以采用台州市全顺电机有限公司35H型号的产品，但不限于此。
[0051] 进一步的，所述无线传输模块由第一子无线传输模块5和第二子无线传输模块6组成，所述第一子无线传输模块5与平衡控制器相连，所述第二子无线传输模块6与上位机相连，第一子无线传输模块5和第二子无线传输模块6通过无线通讯。所述无线传输模块可以采用深圳市极限
电子科技有限公司TX6722型号的产品，但不限于此。
[0052] 进一步的，所述上位机可以是PC机或服务器，用于处理视频流数据并远程控制车身；所述第二子无线传输模块6与上位机直接相连，作为上位机的输入；第一子无线传输模块5和第二子无线传输模块6通过无线通讯，主要用于上位机接受车身运行状态数据和视频流数据。
[0053] 进一步的，所述电源模块包括蓄电池和电压保护电路；所述电源模块位于车身电路支架内，其中电压保护电路输入与蓄电池输出相连，电压保护电路输出与电源驱动电路输入相连；所述电源驱动电路包括直流变换电路和稳压电路；所述直流变换电路包括但不限于48V转12V、48V转5V、12V转5V和12V转3.3V等在内的直流变换器；所述稳压电路包括但不限于48V、12V、5V和3.3V等在内的直流稳压器；所述直流变换电路和稳压电路作为电源的一部分，位于电路支架内；所述直流变换电路为级联结构，以保证输出电压等级包括48V12V5V3.3V等，这些电压等级分别用于驱动车身电路支架内不同电压负载；所述稳压电路作为直流变换电路的后级，起到稳定电压输出的作用。
[0054] 本发明中提出的一种无人自平衡行驶两轮转向系统的工作流程如图2所示。其具体过程是，首先通过上位机的人机指令
接口选择系统的运行状态，分别为静止状态、启动加速状态、行进状态和停止减速状态：
[0055] 1)静止状态：
[0056] 当系统工作在静止状态时，系统的主要工作部分为平衡控制器、姿态检测传感器模块、姿态调整陀螺仪模块、无线传输模块和上位机。其具体的工作方式为：首先，姿态检测传感器模块实时检测无人自平衡行驶两轮转向系统车身的倾角，并通过无线传输模块向上位机发送倾角信息；接着，平衡控制器以倾角为输入计算出陀螺仪转子的速度，控制第二电机的输入电压占空比；然后以计算出的占空比通过第二驱动电路驱动器，驱动第二电机使陀螺仪转子转动，从而使得系统在姿态调整陀螺仪模块的作用下恢复到平衡状态，同时将陀螺仪转子由第二测速码盘测得的转速通过无线传输模块向上位机发送。最后，平衡控制器通过无线传输模块接收上位机指令从而选择是否保持静止状态或是进入启动加速状态。
[0057] 2)启动加速状态：
[0058] 此状态为静止状态和行进状态的过渡状态，当系统工作在启动加速状态时，系统除摄像头阵列模块外所有部分均进入工作。其具体的工作方式为：首先，平衡控制器通过无线传输模块接收上位机的行进速度指令；接着第三电机会逐渐使得车身加速到设定值，并且在此过程中平衡控制器将切换静止和行进状态下的控制
算法并将车身的平衡控制执行机构由姿态调整陀螺仪模块转变为转向控制电机模块；最后，当车身的行进速度加速到设定值后，通过第三测速码盘反馈控制车身的行进速度，并使之保持稳定。
[0059] 3)行进状态：
[0060] 当系统工作在行进状态时，系统除姿态调整陀螺仪模块外的所有部分均进入工作。首先，姿态检测传感器模块实时检测车身的倾角，并通过无线传输模块向上位机发送倾角信息以及摄像头阵列模块采集到的道路信息；接着，上位机通过无线传输模块接收道路信息，并通过现有的视频流预处理、障碍检测分析算法、车身的行进速度和方向生成算法计算得到车身动态行进速度并通过无线传输模块发送给车身平衡控制器；然后，平衡控制器通过无线传输模块接收上位机的行进速度和方向指令，通过姿态检测传感器模块的输出倾角和上位机的方向指令为输入通过平衡控制器计算出第一电机的输出角度以保持系统平衡或以一定角度转向，并以第三测速码盘输出和上位机行进速度控制指令为输入，通过输出改变第三电机的转速。最后，平衡控制器通过无线传输模块接收上位机指令从而选择是否保持行进状态或是进入停止减速状态
[0061] 4)停止减速状态
[0062] 此状态为行进状态和行进状态的过渡状态，当系统工作在停止减速状态时，系统除摄像头阵列模块外所有部分均进入工作。其具体的工作方式为：首先，平衡控制器将控制第三电机会逐渐使得车身减速，并且在此过程中平衡控制器将切换行进和静止状态下的控制算法并将车身的平衡控制执行机构由转向控制电机模块转变为姿态调整陀螺仪模块；最后，当车身的行进速度减速到零后，进入到静止状态并保持平衡。
[0063] 二、平衡控制算法
[0064] 平衡控制算法包括两个部分，分别为静止状态下的平衡控制算法和行进状态下的控制算法，具体实施过程如下：
[0065] 首先根据两轮转向系统车身的物理特征，分别建立其静止和行进状态下的动力学模型；再根据所建立的静止和行进状态下的动力学模型，求得车身的传递函数并进行适当简化，从而得到静止和行进状态的传递函数Hs(s)和Hd(s)；然后由已经得到的简化过的静止和行进状态下的两轮转向系统的传递函数，设计相应的控制器Gs(s)和Gd(s)；最后分别利用静止和行进状态下的控制器输出控制量使得车身在两种条件下保持平衡。
[0066] 上述具体实施过程得到的无人自平衡行驶两轮转向系统静止状态控制系统结构图如图3所示，其中控制系统的输入为车身的倾角 输出为陀螺仪转子速度，控制第二电机驱动电压占空比D。
[0067] 上述具体实施过程得到的无人自平衡行驶两轮转向系统行进状态控制系统结构图如图4所示，其中控制系统的输入为无人自平衡行驶两轮转向系统车身的倾角 输出为第二电机的转角角度θ。
