專利名稱：兩輪自平衡電動車的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動車，特別涉及一種兩輪自平衡電動車，屬 于交通運輸工具。
背景技術：
目前，隨著中國經濟的高速發展和人們生活水平的不斷提高，國內 城市的汽車數量正在不斷增加，隨之而來的空氣污染、噪聲污染、交通 堵塞、石油短缺等環境問題、交通問題和能源問題也顯得日益突出。設 計并制造出高性能的電動車是解決上述問題的有效途徑之一。
一般而言，兩輪電動車的車輪既可以如傳統電動車一樣前后布置， 也可以平行同軸布置在車體兩側。車輪同軸布置與傳統電動車相比，有 如下優點體積小、重量輕、具有很高的靈活性，能夠實現原地旋轉， 有助于緩解交通壓力。但是，由于同軸布置的兩輪電動車本身獨特的機 械結構，在非控制狀態下為自然不穩定系統，操作復雜，易失去重心， 人摔下造成損傷。另外，由于上述兩輪平行同軸布置電動車具有自然不 穩定的特點，因此在電動車電量耗盡或者控制系統出現嚴重錯誤的時候， 電動車往往會由于不能自動平衡而倒下并對駕駛者的安全構成威脅，而 且在駕駛電動車的過程中還容易造成駕駛者產生一種擔心從電動車上意 外摔倒的心理。
發明內容
本實用新型的目的是解決上述問題并克服傳統電動車的缺點，提供 一種既能夠保持自身平衡，又能夠按照用戶要求實現安全運行功能，并 具有靈活性高、機動性強、穩定可靠、智能控制、操作容易、綠色環保、 結構簡單、維護方便等特點的兩輪自平衡電動車。
本實用新型通過以下技術方案實現
本實用新型的一種兩輪自平衡電動車，包括底盤兩側獨立支承有兩個同軸線布置車輪，底盤下固定有微處理器控制系統、電源供給系統、 其中底盤下固定電動機驅動器、傳感器測量系統和輔助駕駛系統，兩 個輪轂電機布置于兩個車輪內，輪轂電機的定子軸為車輪軸通過支座固 定在底盤上，輪轂電機的轉子與車輪輪轂連接為一體構成車輪。電動車 的兩個車輪采用平行同軸線布置的形式安裝在車體底盤兩側，底盤下方 的電源供給系統包括蓄電池組，電壓轉換板以及傳感器測量系統，底盤 上方安裝電動車機蓋， 一方面用于保護車內傳感器以及各重要電子元器 件，另一方面作為駕駛者的支撐腳踏板。電動車上同軸線布置的兩個車 輪各自由一個獨立的直流龜動機或直驅電機來驅動。所述的電動車使用 輪轂電機作為動力源，它是一種把電機制成輪轂形狀的電動機，可以說 它既是車輪又是電機。而電機安裝在底盤兩側，其定子軸通過支座固定 在車體上。在運行時，輪轂電機繞著定子軸進行旋轉從而向電動車提供 足夠的動力，實現電動車平穩前進、后退、轉向和原地旋轉等多種功能。 底盤上方安裝由鋼板或塑料制成的機蓋，高度和角度可調的操縱桿固定 連接在底盤上，駕駛者可以通過此操縱桿以及桿上的按鈕對電動車進行 操控，并可以通過查看操縱桿上的顯示裝置得知當前電動車的工作狀態 及其他相關信息。
本實用新型所述的一種兩輪自平衡電動車，其中所述傳感器測量 系統與微處理器控制系統的控制卡連接，微處理器控制系統通過電機驅 動器與電機連接，通過輸入電壓信號控制電機正反轉調整車體處于平衡 位置。所述底盤上設置有測量輪轂電機轉速的增量式編碼器，還設有測 量電動車俯仰角的陀螺儀和加速度計構成的組合編碼器通過測量支架安 裝在底盤上。
電動車利用傳感器測量系統測量電動車的運行狀態、平衡狀態和駕 駛者的輸入信號，并將這些信號反饋到控制器。由于所述的電動車具有3 個自由度，為了檢測電動車的工作狀態，使用陀螺儀和加速度計組合測 量電動車的俯仰角，使增量式用編碼器測量兩個車輪的轉速，然后經過 計算得出電動車的俯仰角速度、直線運動速度、直線運動加速度、橫滾 (轉向)角和橫滾角速度。各個傳感器皆與存儲有控制程序的控制卡相連接，傳感器的輸出信號直接或經轉換后輸入到控制卡，經過控制卡中 的微處理器計算后得出保持車體平衡及其正常運行所需要的電機轉矩并 轉化為控制信號，最后通過電機驅動器對電機輸出合適的電壓，控制電 機以一定的轉速和方向運行，完成所需要實現的功能。
本實用新型所述的一種兩輪自平衡電動車，其中所述底盤上設置 有與車輪軸線具有一定水平距離的保護裝置。為了避免駕駛者意外摔倒 和保護電動車內部的電子元器件，所述的電動車通過程序以及外加輔助 機械裝置即保護裝置來防止電動車在運行過程中俯仰角過大、速度過高 等危險情況的發生，并能夠在將要出現危險時通過顯示裝置警告駕駛者， 從而避免絕大部分意外的發生。所述的保護裝置為一端鉸鏈活動連接在 底盤上、另一端帶有支承輪的起落架。
本實用新型所述的一種兩輪自平衡電動車，其中所述底盤上設置 有護欄。所述底盤上設置的護欄可以是與車輪平行的兩個側面護欄。
本實用新型所述的一種兩輪自平衡電動車，其中所述底盤上通過 繩狀連接線連接有活動式操縱器，并掛置在護欄上。
本實用新型所述的自平衡電動車，其操縱方法主要有兩種， 一種是 依靠駕駛者傾斜身體使操縱桿傾斜來實現的，其中當駕駛者身體向前 傾斜時，電動車向前或加速運行；當駕駛者身體向后傾斜時，電動車向 后或減速運行；當駕駛者身體直立、即使底盤與水平面平行時，電動車 停留在原地不動；當駕駛者旋轉或撥動操縱桿上的轉向器件時，電動車 進行轉向。同時，根據操縱桿的傾斜角度大小來實現電動車的無級調速； 根據轉向傳感器輸出信號的大小來實現電動車以不同的轉彎半徑轉向， 甚至可以原地旋轉，轉彎半徑為0。另一種則是通過操作操縱桿上的四個 按鈕或撥桿來實現的，其中當駕駛者按下或撥動前進后退按鈕或撥桿 時，電動車向前或向后運行；當駕駛者按下或撥動轉向按鈕或撥桿時， 電動車向左或向右轉向。
本實用新型具有如下顯著優點(1)本實用新型采用運行穩定、可 控性好、響應速度快、使用壽命長的無刷直流輪轂電機或直驅電機來直 接驅動電動車實現起停、進退、轉向以及原地旋轉功能，省去了減速、變速、倒車、剎車和轉向等機構，不僅使結構簡單合理，還減小電動車 的體積和重量，增強了電動車的靈活性和機動性；
(2) 本實用新型在控制系統的控制下能夠自動保持平衡，并不需要 駕駛者對車體的平衡進行控制，操作簡單、維護方便、成本不高，適合 各種人員使用；
(3) 本實用新型釆用蓄電池最為能源來驅動，也可以加入太陽能電 池模塊來進行供電，故本實用新型能很好地實現零排放噪聲小無污染， 是一種"綠色"交通運輸工具；
(4) 本實用新型不僅利用控制系統實現安全保護功能，還利用機械 機構來保障駕駛者的安全，從而大大提高了電動車的安全性和可靠性。
本實用新型的有益效果是，它可以廣泛用于大型購物中心、國際性 會議或展覽場所、體育場館、大型公園廣場、生態旅游風景區、城市中 的生活住宅小區、辦公大樓、酒店等場合中作為人們的中、短途代步交 通工具，并能夠緩解交通壓力，在一定程度上解決了環境問題和能源問 題。


圖l:表示本實用新型的自平衡電動車立體結構示意圖。 圖2:表示本實用新型的自平衡電動車主視圖。 圖3:表示本實用新型的自平衡電動車仰視圖。
圖4:表示本實用新型的自平衡電動車的另一種支撐輪轂電機結構方 式的示意圖。
圖5:表示本實用新型的自平衡電動車的又一種支撐輪轂電機結構方 式的示意圖
圖6:表示本實用新型的自平衡電動車車輪裝配圖。 圖7:表示本實用新型的自平衡電動車俯視圖。
圖8:表示本實用新型的自平衡電動車保護裝置的原理示意圖(一) 圖9:表示本實用新型的自平衡電動車保護裝置的原理示意圖(二) 圖10:表示本實用新型的自平衡電動車保護裝置的原理示意圖(三) 圖11:表示本實用新型的其中一種以自動方式實現安全保護的原理圖
圖12:表示本實用新型的其中一種以手動方式實現安全保護的運動
簡圖
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步介紹，但不作為 對本實用新型的限定。
如圖1所示，是一種本實用新型的自平衡電動車立體結構示意圖。 在底盤1兩側獨立支承有兩個同軸線布置車輪3，在圖2中，底盤1下固 定有微處理器控制系統(圖中未示出)、電源供給系統12、底盤1下固定 電動機驅動器11、傳感器測量系統和輔助駕駛系統，兩個輪轂電機10布 置于兩個車輪3內，輪轂電機10的定子軸即為車輪軸9通過外支座2和 內支座14固定在底盤1上，輪轂電機10的轉子與車輪輪轂連接為一體 構成車輪3。
本實用新型所述的自平衡電動車采用無刷直流式輪轂電機10作為自 平衡電動車的動力源，省去復雜的傳動機構，節省車體內部的空間，減 小電動車的體積和質量，降低電動車的制造成本，還使得整車重量更均 勻地分布在電動車的各個部位上。如圖2和圖3所示，本實用新型的自 平衡電動車主要包括以下幾個部分操縱桿4、輪轂電機IO、機蓋7、底 盤l、電機驅動器ll、蓄電池組12、增量式編碼器8、顯示屏5、轉向操 作裝置6、角度測量單元(由加速度計18和陀螺儀19組成)、電源轉換 電路板20、 DSP控制卡15。其中，兩個輪轂電機10分別安裝在電動車 的底盤1兩側，輪轂電機10兩端的定子軸即車輪軸9 (軸上具有螺紋并 在螺紋段加工出兩平行平面)以簡支梁的支撐方式安裝在外支座2和內 支座14之間，并在輪轂電機10的定子軸即車輪軸9的兩端都固定有擰 緊螺母32從而限制其軸向位移，在外支座2上擰入兩個緊定螺釘33壓 緊軸上的兩個平面進一步限制軸的旋轉。因此，輪轂電機10的伸出軸、 即輪轂電機10的定子，在此稱為車輪軸9是完全固定在底盤1上，輪轂、 即輪轂電機10的轉子，在此稱為車輪3則繞著此軸旋轉。此外，輪轂電 機10的支撐固定方式也可以是如圖4所示的支承架13構成的簡支梁支撐方式；或者如圖5所示，通過法蘭31連接手段將兩個輪轂電機10連 成一體，以圖5所示的方式安裝在底盤1上。
本實用新型所述的自平衡電動車使用的增量式編碼器8為封閉式空 心貫通軸增量式編碼器，其碼盤和讀數頭均由機蓋7保護，不受外界環 境因素的影響，適應性強，能夠精確地測量出輪轂電機10的轉角大小。 如圖6所示，本實用新型用一根空心套軸22以螺紋連接方式與輪轂電機 10的轉子即車輪3連接起來。由于增量式編碼器8為無接觸測量，故不 會因為增量式編碼器8的轉動阻力過大而使軸22被擰松而脫落，但出于 安全考慮，進一步防止空心套軸22的徑向旋轉和軸向位移，在空心套軸 22上攻出3個螺紋孔，并擰入3個緊定螺釘23，防止空心套軸22松脫。 增量式編碼器8的旋轉部分通過半圓鍵21與空心套軸22相連接，而增 量式編碼器8的固定部分則通過編碼支座30與底盤1相連'，當輪轂電機 IO轉動時，便能帶動編碼器8內的碼盤旋轉，發出一系列脈沖信號，經 過DSP控制卡15的計算后得出準確的速度值和位移量。
如圖3所示，所述的自平衡電動車使用加速度計18和陀螺儀19組 成的角度測量單元來測量電動車的俯仰角。它們都安裝在測量支座17上， 信號輸出線分別與DSP控制卡15相連。并采用互補濾波(也可以采用卡 爾曼濾波)的方法將兩個傳感器的輸出信號進行數據融合，相互彌補了 各自的缺點，準確測量俯仰角的大小。
如圖3所示，所述自平衡電動車的DSP控制卡15和電源轉換電路板 20安裝在控制支座16上，控制支座16安裝在底盤1上。如圖7所示， 所述自平衡電動車的蓄電池組12和電機驅動器11分別通過電池支座24 和驅動器支座25安裝在底盤1的下方。如圖2所示，所述自平衡電動車 的機蓋7固定在底盤1相連，機蓋7 —方面保護了車內重要電子元器件 如陀螺儀19、加速度計18和DSP控制卡15等不受破壞，另一方面作為 駕駛者的支撐腳踏板。所述自平衡電動車的可調高度操縱桿4與底盤1 固定連接，操縱桿4上安裝有顯示屏5和轉向撥桿6。
由于所述自平衡電動車一般都在平地上行駛，其傾斜角一般不超過 ±10°，考慮到這一點，電動車不僅通過程序來限制其俯仰角不至于過大和速度不至于過高，而且將電動車設計成在非控制狀態下傾斜角不超過
±20°的機械結構，保證電動車出現故障后也傾倒幅度不會太大，可靠地 避免各種意外事故的發生，保障駕駛者的安全。
為了進一步提高本實用新型所述的自平衡電動車的安全性和可靠 性，保護車內元器件以及駕駛者的安全，可以通過外加輔助機構來實現。 如圖8、圖9和圖10所示，它們表示3種不同的保護裝置，以圖8所示 的保護裝置為例加以說明，它主要包括小轉軸27、支撐桿28、支承輪29 和驅動部件(圖中未示出)等。其中，所述保護裝置的工作過程如下 當駕駛者尚未使用電動車(即駕駛者沒^"站立在電動車)時，保護裝置 處于工作狀態，此時支承輪29與地面接觸，它與兩個車輪3三點構成一 個三角形平面，故使得電動車如普通三輪車一樣平穩地立在原地，從而 起到保護車體內部各元器件的作用；當駕駛者站上電動車時，保護裝置 中的小轉軸27將會以自動或手動的方式被驅動起來，使支撐桿28和支 承輪29繞小轉軸27旋轉而向上升起，此時支承輪29離開地面，電動車 進入兩輪駕駛模式。如果在駕駛過程中，電動車出現故障或其他意外狀 況，駕駛者可以根據需要啟動保護裝置使電動車通過該保護機構實現平 衡運行，從而起到安全保護作用。圖9為保護裝置可以通過控制進行上 下直線運動，向下移動支承輪29即可支承于地面起到支承保護作用，運 行開始時，支承輪29向上移動，取消支承保護作用；圖10的保護裝置 是小轉軸27旋轉方向改變90。，如果設定圖8保護裝置中的那么圖10 則是支撐桿28和支承輪29繞小轉軸27相對于底盤1左右方向旋轉。
如圖11、圖12所示，表示本實用新型的其中一種以自動方式實現安 全保護的原理圖，電動機34通過減速器35與小轉軸27相連，并在機蓋 7頂部安裝兩個接近開關(左右布置在駕駛者站立處，圖中未示出)。當 電動車上無人時，接近開關斷開，此時保護裝置處于工作狀態，電動車 平穩地立于原地；當駕駛者站上電動車后，底盤1向下運動，兩個接近 開關都閉合，此時電動機驅動小轉軸27帶動支撐桿28和支承輪29旋轉 90°，使電動車進入兩輪駕駛模式；當駕駛過程中出現故障或駕駛者離開 電動車時，保護裝置進入工作狀態，使電動車轉換成三輪模式，并重新獲得平衡，從而保護駕駛者和車內元器件。
如圖12所示，表示本實用新型的其中一種以手動方式實現安全保護 的運動簡圖。當電動車上的腳踏板沒有被踩下時，即底盤1位于高位， 由于彈簧36的彈簧力作用，則使保護裝置處于工作狀態，電動車平穩地 立于原地；當電動車上的腳踏板即底盤1被踩下時，與底盤1 一體的齒 條向下運動帶動齒輪即小轉軸27轉動使支撐桿28和支承輪29轉過90°， 則電動車以兩輪自平衡模式工作；當駕駛過程中出現故障或駕駛者離開 電動車時，保護裝置進入工作狀態，使電動車轉換成三輪模式，并重新 獲得平衡，從而保護駕駛者和車內元器件。
此外，控制所述自平衡電動車的平衡以及運行的控制程序存儲在 DSP控制卡15中，DSP所采用的型號為TMS320F2812。電源轉換電路 板20'則用于將蓄電池組12的48V直流電壓轉換為5V和土12V直流電 壓供DSP控制卡15、各傳感器及其他電路使用。
如圖8和圖10所示，在所述底盤1上設置有護欄37，人是站立在自 平衡電動車上操作運行。在圖8中，所述底盤1上通過繩狀連接線39連 接有活動式操縱器40，并掛置在護欄37上。
如圖10所示，所述底盤1上設置有與所述車輪3平行的兩個側面護 欄37。
另，如圖9所示，在所述底盤1上設置有座椅41，并與之相配套的 低護欄38，人可以乘坐在自平衡電動車上操作運行。
本實用新型所述的自平衡電動車的操作過程如下
首先，打開安裝在機蓋7背面的電源總開關，指示燈亮起后表明電 源接通，顯示屏5啟動并實時顯示電動車的電量以及各傳感器的輸出情 況，系統正常啟動，DSP控制卡15和各傳感器進入工作狀態。然后使電 動車的底盤1平行于水平面(或操縱桿4垂直于水平面)，待顯示屏5顯 示"Ready"提示信息后，系統準備工作完成，駕駛者可以上車進行駕駛。 在駕駛者操作電動車的過程中，當駕駛者身體向前傾斜時，角度測量單 元和兩個車輪3上的增量式編碼器8將測得的輸出信號輸入到DSP控制 卡15中，經過DSP計算后得出保持電動車平衡以及運行所需要的輪轂電機10轉矩或轉速的大小并向電機驅動器11輸出控制信號，電機驅動器
11接收到此信號后便向輪轂電機10輸出合適的電壓使輪轂電機10按照
計算所得到的轉矩或轉速加速前進，從而使電動車在保持平衡的狀態下 向前運行，而且傾斜的角度越大，電動車的速度越快。同理，當駕駛者
向后傾斜時，輪轂電機io按照計算所得到的轉矩或轉速減速后退。當駕
駛者的身體直立時，由于其俯仰角為0°，電動車己處于平衡狀態，故此
時可使電動車停留在原地不動。當駕駛者需要轉向時，只要左右撥動操
縱桿4上的轉向裝置6向DSP控制卡15輸入一個模擬信號，經過DSP 處理以及對其他傳感器的輸入信號進行綜合運算后得出兩車輪3各自所 需要的轉矩或轉速大小，并轉化為控制信號分別輸出到電機驅動器11中， 電機驅動器11按照此控制信號輸出合適的電壓對輪轂電機10進行控制 以滿足轉向的要求，而且轉向裝置6輸入的模擬信號越大，電動車的轉 彎半徑越小。在所述電動車的整個工作過程中，電動車的狀態和輸入信 號通過各個傳感器反饋在控制器中，形成閉環控制系統，并且經過反復 測量、反復計算以及反復調整，使電動車始終保持平衡不倒，并且能夠 按照駕駛者的各種操作正常運行。
權利要求1. 一種兩輪自平衡電動車，包括底盤兩側獨立支承有兩個同軸線布置車輪，底盤下固定有微處理器控制系統、電源供給系統、其特征在于底盤下固定有電動機驅動器、傳感器測量系統和輔助駕駛系統，兩個輪轂電機布置于兩個車輪內，輪轂電機的定子軸為車輪軸通過支座固定在底盤上，輪轂電機的轉子與車輪輪轂連接為一體構成車輪。
2. 根據權利要求l所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于 所述傳感器測量系統與微處理器控制系統的控制卡連接，微處 理器控制系統通過電機驅動器與電機連接，通過控制電機正反 轉的輸入電壓信號調整車體位于平衡位置。 '
3. 根據權利要求2所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于所述底盤上設置有與車輪軸線具有一定水平距離的保護裝置。
4. 根據權利要求3所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于保護裝置為一端鉸鏈活動連接在底盤上、另一端帶有支承輪的 起落架。
5. 根據權利要求4所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于 所述底盤上設置有測量輪轂電機轉速的增量式編碼器為封閉 式空心貫通軸增量式編碼器，還設有測量電動車俯仰角的陀螺 儀和加速度計構成的組合編碼器通過測量支架安裝在底盤上。
6. 根據權利要求5所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于所述底盤上設置有護欄。
7. 根據權利要求6所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于所述底盤上設置有與車輪平行的兩個側面護欄。
8. 根據權利要求7所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于 所述底盤上通過繩狀連接線連接有活動式操縱器，并掛置在護 欄上。
9. 根據權利要求5所述的一種兩輪自平衡電動車，其特征在于所述底盤上設置有操縱桿，操縱器設置在操縱桿上。
專利摘要本實用新型涉及一種電動車，特別涉及一種兩輪自平衡電動車，提供一種既能夠保持自身平衡，又能夠按照用戶要求實現安全運行功能，并具有靈活性高、機動性強、穩定可靠、智能控制、操作容易、綠色環保、結構簡單、維護方便等特點的兩輪自平衡電動車，底盤兩側獨立支承有兩個同軸線布置車輪，底盤下固定有微處理器控制系統、電源供給系統、底盤下還固定有電動機驅動器、傳感器測量系統和輔助駕駛系統，兩個輪轂電機布置于兩個車輪內，輪轂電機的定子軸為車輪軸通過支座固定在底盤上，輪轂電機的轉子與車輪輪轂連接為一體構成車輪。實現了零排放噪聲小無污染的“綠色”短途代步交通運輸工具；并能夠緩解交通壓力，解決環境問題和能源問題。
文檔編號B62D61/00GK201228037SQ200820108540
公開日2009年4月29日 申請日期2008年6月16日 優先權日2008年6月16日
發明者周惠興 申請人:周惠興;趙建萍