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無人自行車功能測試實驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種無人自行車功能測試實驗系統，包括平衡控制自行車模型，車身穩定控制系統、姿態測試裝置和系統平衡狀態監測與分析系統；姿態測試裝置安裝在平衡控制自行車模型上，平衡控制自行車模型由車身穩定控制系統通過無線信號控制；平衡控制自行車模型則向車身穩定控制系統發送無線信號，給出車身各姿態測試裝置的實時參數；同時車身穩定控制系統將獲取的姿態測試裝置實時參數通過無線發送給系統平衡狀態監測與分析系統，系統平衡狀態監測與分析系統整合分析數據，用于研究車身平衡控制原理。本發明可以為自動化、檢測技術、控制工程、機器人、機器視覺等諸多專業的學生提供一種試驗平臺。
【專利說明】無人自行車功能測試實驗系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種自動控制與檢測技術的實驗系統，尤其自行車自動控制、穩定性 分析及其運動狀態檢測的試驗研究裝置，屬于平衡控制系統試驗設備【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 自行車是人人熟悉的，極為方便的代步工具，可以說是人類發明最成功的一種人 力機械之一。自18世紀被發明以來，自行車形狀、傳動以及輔助裝置經歷了不斷的創新發 展，最終形成現在的模型。伴隨著自行車的變化，人類對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，前輪尾跡效應，到離心力作用，然而，迄今還未能徹底研究清楚 自行車維持平衡運動的原理。
[0003] 目前，對于自行車維持穩定平衡原理的研究多以理論性演算為主。構造一款能夠 測量前后輪運動狀態、車架的位姿，調節前輪尾跡、感知周圍環境的無人自行車，對于探索 自行車的自穩原理，激發學生或科技愛好的學習興趣，具有重要的意義。


【發明內容】

[0004] 采用在日常生活中人人都使用的而穩定原理卻不清楚的普通代步工具作為基礎 實驗平臺，結合多種運動與狀態測量單元，構成一套多功能的實驗裝置一無人自行車實 驗裝置。該實驗裝置不僅可供專業研究人員探索自行車維持平衡的原理，還可以供一般科 技愛好者學習自動化控制技術和檢測技術。這種無人自行車實驗系統可供職業教育以及高 等教育學校中自動化、交通、電子信息、通信工程等相關專業的學生使用。
[0005] 為了達到上述目的，本發明的技術方案如下： 一種無人自行車功能測試實驗系統，包括平衡控制自行車模型，車身穩定控制系統、姿 態測試裝置和系統平衡狀態監測與分析系統；所述姿態測試裝置安裝在平衡控制自行車模 型上，所述平衡控制自行車模型由車身穩定控制系統通過無線信號控制，通過修改各項參 數從而控制車身穩定；平衡控制自行車模型則向車身穩定控制系統發送無線信號，給出車 身各姿態測試裝置的實時參數，從而使車身穩定控制系統實現閉環控制；同時車身穩定控 制系統將獲取的姿態測試裝置實時參數通過無線發送給系統平衡狀態監測與分析系統，系 統平衡狀態監測與分析系統整合分析數據，用于研究車身平衡控制原理。
[0006] 上述平衡控制自行車模型包括前輪驅動、后輪驅動、能量源、前輪尾跡調節裝置； 所述能量源為前輪驅動、后輪驅動、前輪尾跡調節裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調節裝置用于自動調節前輪尾跡的大小； 所述前輪轉向通過直流無刷電機處理器提供PWM波控制轉向角度，所述前后輪驅動均 獨立作為驅動輪。
[0007] 上述姿態測試裝置包括： 前輪速度測量編碼器、后輪速度測量編碼器，用于測量自行車模型前后輪速度； 前輪轉向角速度測量編碼器、后輪轉向角速度測量編碼器，用于測量自行車模型運動 中前輪轉向和前后輪轉動的角度及角速度； 安裝于車架上的車身姿態三軸陀螺儀，用于測量車身平衡時三軸方向的傾斜度。車架 是構成自行車的基本結構體，是自行車的骨架和主體。安裝時，要求陀螺儀與車架處于同一 平面； 安裝于車架幾何中心位置的車身姿態三軸加速度傳感器，用于測量車身平衡時三軸方 向的加速度。
[0008] 上述車身穩定控制系統包括： 車身平衡的配重控制系統，用于控制車身的側平衡(如直立，或維持一定傾斜角度）； 前輪方向速度控制系統，用于控制前輪驅動速度和前輪轉向角度； 車身方向速度控制系統，用于在車身結構上進行方向控制和后輪驅動控制； 車身狀態顯示系統，通過液晶顯示器實時顯示車身姿態和各模塊控制參數； 可編程控制裝置，包括可編程控制開關和可編程控制按鈕，編程控制開關組成2?8重 二進制控制方案，并由信號燈指示；可編程控制按鈕，用以實時調節車身控制參數； 報警裝置，用于系統程序跑飛，陷入死循環及系統硬件模塊損壞的系統自檢裝置。
[0009] 上述整個系統的無線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無線通信的任 何一種。
[0010] 本發明所達到的有益效果： 1、自行車是一種非常方便的、幾乎人人都用的綠色交通工具，然而其為何能夠穩定，迄 今還不清楚。即使在學術研究領域，自行車的穩定機制依舊沒有普遍接受的解釋。
[0011] 2、無人自行車的研究為汽車安全提供了關鍵的解決方法，吸引人們探索其中的環 境感知與運動控制等方面的研究。無人自行車無疑是一種很好的無人車的替代試驗品。此 夕卜，不同于汽車，自行車屬于兩輪交通工具，控制難度還有所增加。
[0012] 3、無人自行車不僅能夠為學生或科技愛好者提供一種試驗系統，而且能夠為專業 研究人員測試各種自行車穩定理論提供了便捷的測試平臺。
[0013] 4、本實驗系統可以自動調節前輪尾跡的大小，研究各種運動狀態下前輪尾跡的作 用，在各種運動速度--決慢，不同運動方式--如直行、轉彎，等諸多調節下研究前輪尾 跡效應。
[0014] 5、無人自行車涉及到狀態檢測、運動控制、環境感知等諸多方面，可以為自動化、 檢測技術、控制工程、機器人、機器視覺等諸多專業的學生提供一種試驗平臺。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的系統示意圖； 圖2是平衡控制自行車模型的結構示意圖； 圖3是車身穩定控制系統的系統框圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0017] 如圖1所示，一種無人自行車功能測試實驗系統，包括平衡控制自行車模型，車身 穩定控制系統、姿態測試裝置和系統平衡狀態監測與分析系統；所述姿態測試裝置安裝在 平衡控制自行車模型上，所述平衡控制自行車模型由車身穩定控制系統通過無線信號控 制，通過修改各項參數從而控制車身穩定；平衡控制自行車模型則向車身穩定控制系統發 送無線信號，給出車身各姿態測試裝置的實時參數，從而使車身穩定控制系統實現閉環控 制；同時車身穩定控制系統將獲取的姿態測試裝置實時參數通過無線發送給系統平衡狀態 監測與分析系統，系統平衡狀態監測與分析系統整合分析數據，用于研究車身平衡控制原 理。
[0018] 如圖2所示，上述平衡控制自行車模型包括前輪驅動1、后輪驅動2、能量源3、前輪 尾跡調節裝置； 所述能量源3為前輪驅動、后輪驅動、前輪尾跡調節裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調節裝置用于自動調節前輪尾跡的大小； 所述前輪轉向通過直流無刷電機處理器提供PWM波控制轉向角度，所述前后輪驅動均 獨立作為驅動輪。
[0019] 上述姿態測試裝置包括： 前輪速度測量編碼器、后輪速度測量編碼器，用于測量自行車模型前后輪速度； 前輪轉向角速度測量編碼器、后輪轉向角速度測量編碼器，用于測量自行車模型運動 中前輪轉向和前后輪轉動的角度及角速度； 安裝于車架上的車身姿態三軸陀螺儀，用于測量車身平衡時三軸方向的傾斜度。車架 是構成自行車的基本結構體，是自行車的骨架和主體。安裝時，要求陀螺儀與車架處于同一 平面； 安裝于車架幾何中心位置的車身姿態三軸加速度傳感器8,用于測量車身平衡時三軸 方向的加速度。
[0020] 如圖3所示，上述車身穩定控制系統包括： 車身平衡的配重控制系統4,用于控制車身的側平衡(如直立，或維持一定傾斜角度）； 前輪方向速度控制系統5,用于控制前輪驅動速度和前輪轉向角度； 車身方向速度控制系統7,用于在車身結構上進行方向控制和后輪驅動控制； 車身狀態顯示系統，通過液晶顯示器實時顯示車身姿態和各模塊控制參數； 可編程控制裝置，包括可編程控制開關和可編程控制按鈕，編程控制開關組成2?8重 二進制控制方案，并由信號燈指示；可編程控制按鈕，用以實時調節車身控制參數； 報警裝置，用于系統程序跑飛，陷入死循環及系統硬件模塊損壞的系統自檢裝置。
[0021] 上述整個系統的無線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無線通信的任 何一種。
[0022] 實施例： 本實驗系統可以測試的參數詳見表1

【權利要求】
1. 一種無人自行車功能測試實驗系統，其特征是包括平衡控制自行車模型，車身穩定 控制系統、姿態測試裝置和系統平衡狀態監測與分析系統；所述姿態測試裝置安裝在平衡 控制自行車模型上，所述平衡控制自行車模型由車身穩定控制系統通過無線信號控制，通 過修改各項參數從而控制車身穩定；平衡控制自行車模型則向車身穩定控制系統發送無線 信號，給出車身各姿態測試裝置的實時參數，從而使車身穩定控制系統實現閉環控制；同時 車身穩定控制系統將獲取的姿態測試裝置實時參數通過無線發送給系統平衡狀態監測與 分析系統，系統平衡狀態監測與分析系統整合分析數據，用于研究車身平衡控制原理。
2. 根據權利要求1所述的無人自行車功能測試實驗系統，其特征在于：所述平衡控制 自行車模型包括前輪驅動、后輪驅動、能量源、前輪尾跡調節裝置； 所述能量源為前輪驅動、后輪驅動、前輪尾跡調節裝置提供能量源； 所述前輪尾跡調節裝置用于自動調節前輪尾跡的大小； 所述前輪轉向通過直流無刷電機處理器提供PWM波控制轉向角度，所述前后輪驅動均 獨立作為驅動輪。
3. 根據權利要求1所述的無人自行車功能測試實驗系統，其特征在于：所述姿態測試 裝置包括： 前輪速度測量編碼器、后輪速度測量編碼器，用于測量自行車模型前后輪速度； 前輪轉向角速度測量編碼器、后輪轉向角速度測量編碼器，用于測量自行車模型運動 中前輪轉向和前后輪轉動的角度及角速度； 安裝于車架上的車身姿態三軸陀螺儀，用于測量車身平衡時三軸方向的傾斜度； 車架是構成自行車的基本結構體，是自行車的骨架和主體； 安裝時，要求陀螺儀與車架處于同一平面； 安裝于車架幾何中心位置的車身姿態三軸加速度傳感器，用于測量車身平衡時三軸方 向的加速度。
4. 根據權利要求1所述的無人自行車功能測試實驗系統，其特征在于：所述車身穩定 控制系統包括： 車身平衡的配重控制系統，用于控制車身的側平衡； 前輪方向速度控制系統，用于控制前輪驅動速度和前輪轉向角度； 車身方向速度控制系統，用于在車身結構上進行方向控制和后輪驅動控制； 車身狀態顯示系統，通過液晶顯示器實時顯示車身姿態和各模塊控制參數； 可編程控制裝置，包括可編程控制開關和可編程控制按鈕，編程控制開關組成2?8重 二進制控制方案，并由信號燈指示；可編程控制按鈕，用以實時調節車身控制參數； 報警裝置，用于系統程序跑飛，陷入死循環及系統硬件模塊損壞的系統自檢裝置。
5. 根據權利要求1所述的無人自行車功能測試實驗系統，其特征在于：所述整個系統 的無線傳輸方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等無線通信的任何一種。
【文檔編號】G01M17/007GK104122098SQ201410375439
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】劉小峰, 馬峰, 向超勝, 蔣愛民, 徐寧, 周小芹 申請人:河海大學常州校區