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无人自行车功能测试实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无人自行车功能测试实验系统，包括平衡控制自行车模型，车身稳定控制系统、姿态测试装置和系统平衡状态监测与分析系统；姿态测试装置安装在平衡控制自行车模型上，平衡控制自行车模型由车身稳定控制系统通过无线信号控制；平衡控制自行车模型则向车身稳定控制系统发送无线信号，给出车身各姿态测试装置的实时参数；同时车身稳定控制系统将获取的姿态测试装置实时参数通过无线发送给系统平衡状态监测与分析系统，系统平衡状态监测与分析系统整合分析数据，用于研究车身平衡控制原理。本发明可以为自动化、检测技术、控制工程、机器人、机器视觉等诸多专业的学生提供一种试验平台。
【专利说明】无人自行车功能测试实验系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自动控制与检测技术的实验系统，尤其自行车自动控制、稳定性 分析及其运动状态检测的试验研究装置，属于平衡控制系统试验设备【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 自行车是人人熟悉的，极为方便的代步工具，可以说是人类发明最成功的一种人 力机械之一。自18世纪被发明以来，自行车形状、传动以及辅助装置经历了不断的创新发 展，最终形成现在的模型。伴随着自行车的变化，人类对其工作原理的研究也从未停止，包 括最被人接受的陀螺效应，前轮尾迹效应，到离心力作用，然而，迄今还未能彻底研究清楚 自行车维持平衡运动的原理。
[0003] 目前，对于自行车维持稳定平衡原理的研究多以理论性演算为主。构造一款能够 测量前后轮运动状态、车架的位姿，调节前轮尾迹、感知周围环境的无人自行车，对于探索 自行车的自稳原理，激发学生或科技爱好的学习兴趣，具有重要的意义。


【发明内容】

[0004] 采用在日常生活中人人都使用的而稳定原理却不清楚的普通代步工具作为基础 实验平台，结合多种运动与状态测量单元，构成一套多功能的实验装置一无人自行车实 验装置。该实验装置不仅可供专业研究人员探索自行车维持平衡的原理，还可以供一般科 技爱好者学习自动化控制技术和检测技术。这种无人自行车实验系统可供职业教育以及高 等教育学校中自动化、交通、电子信息、通信工程等相关专业的学生使用。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案如下： 一种无人自行车功能测试实验系统，包括平衡控制自行车模型，车身稳定控制系统、姿 态测试装置和系统平衡状态监测与分析系统；所述姿态测试装置安装在平衡控制自行车模 型上，所述平衡控制自行车模型由车身稳定控制系统通过无线信号控制，通过修改各项参 数从而控制车身稳定；平衡控制自行车模型则向车身稳定控制系统发送无线信号，给出车 身各姿态测试装置的实时参数，从而使车身稳定控制系统实现闭环控制；同时车身稳定控 制系统将获取的姿态测试装置实时参数通过无线发送给系统平衡状态监测与分析系统，系 统平衡状态监测与分析系统整合分析数据，用于研究车身平衡控制原理。
[0006] 上述平衡控制自行车模型包括前轮驱动、后轮驱动、能量源、前轮尾迹调节装置； 所述能量源为前轮驱动、后轮驱动、前轮尾迹调节装置提供能量源； 所述前轮尾迹调节装置用于自动调节前轮尾迹的大小； 所述前轮转向通过直流无刷电机处理器提供PWM波控制转向角度，所述前后轮驱动均 独立作为驱动轮。
[0007] 上述姿态测试装置包括： 前轮速度测量编码器、后轮速度测量编码器，用于测量自行车模型前后轮速度； 前轮转向角速度测量编码器、后轮转向角速度测量编码器，用于测量自行车模型运动 中前轮转向和前后轮转动的角度及角速度； 安装于车架上的车身姿态三轴陀螺仪，用于测量车身平衡时三轴方向的倾斜度。车架 是构成自行车的基本结构体，是自行车的骨架和主体。安装时，要求陀螺仪与车架处于同一 平面； 安装于车架几何中心位置的车身姿态三轴加速度传感器，用于测量车身平衡时三轴方 向的加速度。
[0008] 上述车身稳定控制系统包括： 车身平衡的配重控制系统，用于控制车身的侧平衡(如直立，或维持一定倾斜角度）； 前轮方向速度控制系统，用于控制前轮驱动速度和前轮转向角度； 车身方向速度控制系统，用于在车身结构上进行方向控制和后轮驱动控制； 车身状态显示系统，通过液晶显示器实时显示车身姿态和各模块控制参数； 可编程控制装置，包括可编程控制开关和可编程控制按钮，编程控制开关组成2?8重 二进制控制方案，并由信号灯指示；可编程控制按钮，用以实时调节车身控制参数； 报警装置，用于系统程序跑飞，陷入死循环及系统硬件模块损坏的系统自检装置。
[0009] 上述整个系统的无线传输方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等无线通信的任 何一种。
[0010] 本发明所达到的有益效果： 1、自行车是一种非常方便的、几乎人人都用的绿色交通工具，然而其为何能够稳定，迄 今还不清楚。即使在学术研究领域，自行车的稳定机制依旧没有普遍接受的解释。
[0011] 2、无人自行车的研究为汽车安全提供了关键的解决方法，吸引人们探索其中的环 境感知与运动控制等方面的研究。无人自行车无疑是一种很好的无人车的替代试验品。此 夕卜，不同于汽车，自行车属于两轮交通工具，控制难度还有所增加。
[0012] 3、无人自行车不仅能够为学生或科技爱好者提供一种试验系统，而且能够为专业 研究人员测试各种自行车稳定理论提供了便捷的测试平台。
[0013] 4、本实验系统可以自动调节前轮尾迹的大小，研究各种运动状态下前轮尾迹的作 用，在各种运动速度--决慢，不同运动方式--如直行、转弯，等诸多调节下研究前轮尾 迹效应。
[0014] 5、无人自行车涉及到状态检测、运动控制、环境感知等诸多方面，可以为自动化、 检测技术、控制工程、机器人、机器视觉等诸多专业的学生提供一种试验平台。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是本发明的系统示意图； 图2是平衡控制自行车模型的结构示意图； 图3是车身稳定控制系统的系统框图。

【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0017] 如图1所示，一种无人自行车功能测试实验系统，包括平衡控制自行车模型，车身 稳定控制系统、姿态测试装置和系统平衡状态监测与分析系统；所述姿态测试装置安装在 平衡控制自行车模型上，所述平衡控制自行车模型由车身稳定控制系统通过无线信号控 制，通过修改各项参数从而控制车身稳定；平衡控制自行车模型则向车身稳定控制系统发 送无线信号，给出车身各姿态测试装置的实时参数，从而使车身稳定控制系统实现闭环控 制；同时车身稳定控制系统将获取的姿态测试装置实时参数通过无线发送给系统平衡状态 监测与分析系统，系统平衡状态监测与分析系统整合分析数据，用于研究车身平衡控制原 理。
[0018] 如图2所示，上述平衡控制自行车模型包括前轮驱动1、后轮驱动2、能量源3、前轮 尾迹调节装置； 所述能量源3为前轮驱动、后轮驱动、前轮尾迹调节装置提供能量源； 所述前轮尾迹调节装置用于自动调节前轮尾迹的大小； 所述前轮转向通过直流无刷电机处理器提供PWM波控制转向角度，所述前后轮驱动均 独立作为驱动轮。
[0019] 上述姿态测试装置包括： 前轮速度测量编码器、后轮速度测量编码器，用于测量自行车模型前后轮速度； 前轮转向角速度测量编码器、后轮转向角速度测量编码器，用于测量自行车模型运动 中前轮转向和前后轮转动的角度及角速度； 安装于车架上的车身姿态三轴陀螺仪，用于测量车身平衡时三轴方向的倾斜度。车架 是构成自行车的基本结构体，是自行车的骨架和主体。安装时，要求陀螺仪与车架处于同一 平面； 安装于车架几何中心位置的车身姿态三轴加速度传感器8,用于测量车身平衡时三轴 方向的加速度。
[0020] 如图3所示，上述车身稳定控制系统包括： 车身平衡的配重控制系统4,用于控制车身的侧平衡(如直立，或维持一定倾斜角度）； 前轮方向速度控制系统5,用于控制前轮驱动速度和前轮转向角度； 车身方向速度控制系统7,用于在车身结构上进行方向控制和后轮驱动控制； 车身状态显示系统，通过液晶显示器实时显示车身姿态和各模块控制参数； 可编程控制装置，包括可编程控制开关和可编程控制按钮，编程控制开关组成2?8重 二进制控制方案，并由信号灯指示；可编程控制按钮，用以实时调节车身控制参数； 报警装置，用于系统程序跑飞，陷入死循环及系统硬件模块损坏的系统自检装置。
[0021] 上述整个系统的无线传输方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等无线通信的任 何一种。
[0022] 实施例： 本实验系统可以测试的参数详见表1

【权利要求】
1. 一种无人自行车功能测试实验系统，其特征是包括平衡控制自行车模型，车身稳定 控制系统、姿态测试装置和系统平衡状态监测与分析系统；所述姿态测试装置安装在平衡 控制自行车模型上，所述平衡控制自行车模型由车身稳定控制系统通过无线信号控制，通 过修改各项参数从而控制车身稳定；平衡控制自行车模型则向车身稳定控制系统发送无线 信号，给出车身各姿态测试装置的实时参数，从而使车身稳定控制系统实现闭环控制；同时 车身稳定控制系统将获取的姿态测试装置实时参数通过无线发送给系统平衡状态监测与 分析系统，系统平衡状态监测与分析系统整合分析数据，用于研究车身平衡控制原理。
2. 根据权利要求1所述的无人自行车功能测试实验系统，其特征在于：所述平衡控制 自行车模型包括前轮驱动、后轮驱动、能量源、前轮尾迹调节装置； 所述能量源为前轮驱动、后轮驱动、前轮尾迹调节装置提供能量源； 所述前轮尾迹调节装置用于自动调节前轮尾迹的大小； 所述前轮转向通过直流无刷电机处理器提供PWM波控制转向角度，所述前后轮驱动均 独立作为驱动轮。
3. 根据权利要求1所述的无人自行车功能测试实验系统，其特征在于：所述姿态测试 装置包括： 前轮速度测量编码器、后轮速度测量编码器，用于测量自行车模型前后轮速度； 前轮转向角速度测量编码器、后轮转向角速度测量编码器，用于测量自行车模型运动 中前轮转向和前后轮转动的角度及角速度； 安装于车架上的车身姿态三轴陀螺仪，用于测量车身平衡时三轴方向的倾斜度； 车架是构成自行车的基本结构体，是自行车的骨架和主体； 安装时，要求陀螺仪与车架处于同一平面； 安装于车架几何中心位置的车身姿态三轴加速度传感器，用于测量车身平衡时三轴方 向的加速度。
4. 根据权利要求1所述的无人自行车功能测试实验系统，其特征在于：所述车身稳定 控制系统包括： 车身平衡的配重控制系统，用于控制车身的侧平衡； 前轮方向速度控制系统，用于控制前轮驱动速度和前轮转向角度； 车身方向速度控制系统，用于在车身结构上进行方向控制和后轮驱动控制； 车身状态显示系统，通过液晶显示器实时显示车身姿态和各模块控制参数； 可编程控制装置，包括可编程控制开关和可编程控制按钮，编程控制开关组成2?8重 二进制控制方案，并由信号灯指示；可编程控制按钮，用以实时调节车身控制参数； 报警装置，用于系统程序跑飞，陷入死循环及系统硬件模块损坏的系统自检装置。
5. 根据权利要求1所述的无人自行车功能测试实验系统，其特征在于：所述整个系统 的无线传输方式可以是ZigBee、WiFi或Bluetooth等无线通信的任何一种。
【文档编号】G01M17/007GK104122098SQ201410375439
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】刘小峰, 马峰, 向超胜, 蒋爱民, 徐宁, 周小芹 申请人:河海大学常州校区