一种应用于平衡车的反扭动力装置、控制系统及控制方法与流程

1.本发明属于平衡车技术领域，具体为一种应用于平衡车的反扭动力装置、控制系统及控制方法。


背景技术：

2.现有的自平衡车有几种方式保持稳定：(1)采用重心调整方式来做平衡的比如honda的自平衡摩托车；(2)采用车身内置高速旋转的陀螺保持方向稳定；(3)采用独立反扭电机提供反扭力来保持稳定；其中，重心调整方式的调整能力非常有限，不能对抗较大的外部干扰；利用高速旋转的陀螺来保持稳定需要增加了额外重量跟体积以及额外的能量消耗，成本也大大提高；而通过反扭力来保持平衡需要独立的反扭电机和很大质量的反扭力飞轮，保持平衡力的大小跟反扭电机以及飞轮质量的功率有很大关系，额外的大功率的反扭电机意味着额外的很高的成本跟额外的重量以及体积以及额外的能量消耗。
3.为了克服上述平衡车的平衡缺陷，专利cn110949587a中公开了一种双电机反扭动力系统、控制系统、控制方法及自平衡车，该专利通过将动力/反扭电机二合一的方式配合反扭/动力线性转换系统，降低了车身尺寸，减少了车身不必要的额外重量，降低了能力消耗，提高了续航能力；专利cn110843940a公开了集成飞轮及自平衡车，通过将动力系统、驱动系统、供电系统及散热系统均安装于飞轮结构的内部，从而使得飞轮结构的重量增加，在飞轮转动过程中更易实现更大的反扭力，以为车身提供足够的稳定力，上述方案中的两个电机均布置在一个壳体内，虽然在整体的平衡及续航能力上体现出一定的优势，但是仍然具有以下缺陷：
4.(1)布置在一个壳体内的两个电机，由于受车身布局以及骑乘姿势的影响，导致外壳体的直径不可能做的非常大，进而导致外壳内可以容纳的电池受限，大幅缩短了平衡车的续航能力；
5.(2)上述方案不但将两个电机布置在一个壳体内，而且将一系列齿轮也放置在壳体内，占用了一部分空间，进一步影响了电池的空间布局，影响平衡车的续航能力；
6.(3)上述方案的壳体内至少有一组电机、一组转换齿轮，机构相对复杂，不利于壳体本身的平衡，如果壳体本身不能保持平衡，会产生震动等不利因素，进而影响平衡车的平衡能力；
7.(4)上述方案的壳体内部有至少有一组电机和两套电机控制器，不利于电机及控制器的散热，进而影响电池组的整体温度。


技术实现要素：

8.为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种应用于平衡车的反扭动力装置、控制系统及控制方法，该发明采用至少两个滚筒的配对方案，且齿轮组等均设置在滚筒外，使滚筒单元内电池的空间利用率高，一方面使平衡车的平衡过程简单易实现，另一方面大大通过放置更多的电池组大大提高了平衡车的续航能力。
9.本发明采用以下技术方案：一种应用于平衡车的反扭动力装置，包括车架、转动连接在车架上的至少两个滚筒单元、以及分别位于至少两个滚筒单元两端的反扭动力组和动力输出组，其中：
10.每个滚筒单元内均固定设置有电池组、动力电机、以及连接电池组和动力电机的电机控制器；动力电机具有电机输出轴，电机输出轴与车架和滚筒单元转动连接，电机输出轴与动力输出组传动连接；反扭动力组与滚筒单元传动连接；
11.多个电机输出轴同向旋转使动力输出组锁定，同时使滚筒单元连同电池组、动力电机同向旋转输出反扭力；或者至少两个电机输出轴逆向旋转使动力输出组输出动力，同时使反扭动力组锁定；或者多个电机输出轴旋转同时使动力输出组输出动力和滚筒单元输出反扭力。
12.进一步的，多个滚筒单元平行设置，且滚筒单元同一方向的端部固定有反扭动力组，反扭动力组包括与每个滚筒单元端部固定连接的齿轮、以及与多个齿轮传动连接的中间齿轮；或反扭动力组包括与每个滚筒单元端部固定连接的同步轮、以及与多个同步轮传动连接的同步带。
13.进一步的，多个滚筒单元同方向的另一端部设有动力输出组，动力输出组包括与每个滚筒单元内的电机输出轴传动连接的动力转换齿轮组、以及与多个动力转换齿轮组同时啮合传动的动力输出齿轮组。
14.进一步的，在其他技术方案中，滚筒单元同方向的另一端部设有动力输出组，动力输出组包括与每个滚筒单元内的电机输出轴传动连接的动力转换齿轮组，多个动力转换齿轮组通过过渡齿轮啮合传动，并通过其中一个动力转换齿轮组输出动力。
15.进一步的，滚筒单元有两个，分别为平行设置的第一滚筒单元和第二滚筒单元，第一滚筒单元和第二滚筒单元同一方向的端部分别固定有第一传动轴和第二传动轴，反扭动力组包括套装在第一传动轴上第一齿轮、套装在第二传动轴上的第二齿轮、以及连接第一齿轮和第二齿轮的中间齿轮；或反扭动力组包括套装在第一传动轴上第一同步轮、套装在所述第二传动轴上的第二同步轮、以及连接第一同步轮和第二同步轮的同步带。
16.进一步的，电机输出轴由第一滚筒单元和第二滚筒单元上远离反扭动力组的一端延伸出，动力输出组包括两个分别与第一滚筒单元上的电机输出轴和第二滚筒单元上的电机输出轴传动连接的动力转换齿轮组，每个动力转换齿轮组均包括与电机输出轴传动连接的锥齿轮、与锥齿轮啮合的第一动力转换锥齿、以及与第一动力转换锥齿联动的第二动力转换锥齿；两个第二动力转换锥齿均与动力输出锥齿啮合传动。
17.进一步的，在其他技术方案中，电机输出轴由第一滚筒单元和第二滚筒单元上远离反扭动力组的一端延伸出，动力输出组包括与第一滚筒单元上的电机输出轴传动连接的第一传动齿轮、与第一传动齿轮传动连接的第二传动齿轮、与第二滚筒单元上的电机输出轴传动连接的第三传动齿轮、以及与第二传动齿轮和第三传动齿轮均传动连接的第四传动齿轮，第四齿轮套装在动力输出轴上。
18.本发明还提供一种平衡车的控制系统，包括上述任意一项的应用于平衡车的反扭动力装置，还包括安装在车架上的车身姿态检测系统和动力系统。
19.本发明还提供一种平衡车的平衡控制方法，包括上述平衡车的控制系统，并根据车身姿态检测系统实时获取平衡车当前的车身姿态；
20.在平衡车行驶过程中，若经判断获知平衡车当前的车身姿态达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以不同的功率输出，使反扭动力组和动力输出组同时工作，修正当前车身姿态的同时，平衡车向前行进；
21.或在平衡车行驶过程中，若经判断获知平衡车当前的车身姿态未达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以相同的功率输出使反扭动力组锁定，动力输出组全动力输出；
22.或在平衡车处于未行驶状态，若经判断获知平衡车当前的车身姿态达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以相同的功率输出，使动力输出组锁定，多个滚筒单元同向旋转输出反扭力，以修正平衡车当前的车身姿态。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.(1)本发明的反扭动力装置通过设置至少两个滚筒单元，可以适当的减小滚筒单元的直径，从而可以在一个平衡车上放置多个滚筒单元，提高了空间利用率，且多个滚筒单元内可以放置更多的电池组，大大提高了平衡车的续航能力。
25.(2)本发明的反扭动力装置通过将反扭动力组和动力输出组设置在滚筒单元的外部，使滚筒内的结构简单，更容易做到动态平衡，有利于平衡能力的实际落地。
26.(3)本发明的反扭动力装置的双滚筒单元配对的方案，在其中一个滚筒单元故障的情况下，可以通过反扭动力组锁住故障的滚筒单元，无故障的滚筒单元可以正常工作输出动力，提供了额外的动力冗余能力。
附图说明
27.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
28.图1为本发明反扭动力装置的双滚筒单元一实施例立体结构图；
29.图2为本发明反扭动力装置的双滚筒单元一实施例侧面视图；
30.图3为本发明反扭动力装置的双滚筒单元另一实施例立体结构图(一)；
31.图4为本发明反扭动力装置的双滚筒单元另一实施例立体结构图(二)；
32.图5为本发明反扭动力装置的三个滚筒单元一实施例立体结构图(一)；
33.图6为本发明反扭动力装置的三个滚筒单元一实施例立体结构图(二)；
34.其中：1-第一滚筒单元，11-第一传动轴，2-第二滚筒单元，21-第二传动轴，3-反扭动力组，31-第一齿轮，32-第二齿轮，33-中间齿轮，34-同步带，35-第一同步轮，36-第二同步轮，4-动力输出组，41-锥齿轮，42-第一动力转换锥齿，43-第二动力转换锥齿，44-动力输出锥齿，45-动力输出轴，46-第一传动齿轮，47-第二传动齿轮，48-第三传动齿轮，49-第四传动齿轮，5-电机输出轴。
具体实施方式
35.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明
中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
36.下面结合附图1至附图6以及具体的实施例详细论述本发明。
37.本发明提供一种应用于平衡车的反扭动力装置，包括车架、转动连接在车架上的至少两个滚筒单元、以及分别位于至少两个滚筒单元两端的反扭动力组3和动力输出组4，其中：每个滚筒单元内均固定设置有电池组、动力电机、以及连接电池组和动力电机的电机控制器；动力电机具有电机输出轴5、电机定子和电机转子，电机转子连接电机输出轴5，电机输出轴5与车架和滚筒单元转动连接，电机输出轴5与动力输出组4传动连接；电机定子连接滚筒单元，反扭动力组3与滚筒单元传动连接；多个电机输出轴5同向旋转使动力输出组4锁定，同时使滚筒单元连同电池组、动力电机同向旋转输出反扭力；或者至少有两个电机输出轴5逆向旋转使动力输出组4输出动力，同时使反扭动力组3锁定；或者多个电机输出轴5旋转同时使动力输出组4输出动力和滚筒单元输出反扭力。
38.需要说明的是，本发明不限定滚筒单元的数量，也不限定动力输出组4和反扭动力组3的结构组成；只要能实现滚筒单元同向旋转、逆向锁死的反扭动力组3，以及实现电机输出轴同向锁死、逆向输出动力的动力输出组4，都属于本发明的保护范围。此处，可以理解，反扭动力组3锁死的条件是电机定子对滚筒单元的产生相反的作用力，试图使滚筒单元朝相反的方向旋转，当相互作用力大小相同，相互抵消时，反扭动力组3即锁死；同理，动力输出组4的电机输出轴出力相同，旋转方向相同时，动力输出组4即锁死。
39.具体的，多个滚筒单元平行设置，且滚筒单元同一方向的端部固定有反扭动力组3，反扭动力组3包括与每个滚筒单元端部固定连接的齿轮、以及与多个齿轮传动连接的中间齿轮；或反扭动力组3包括与每个滚筒单元端部固定连接的同步轮、以及与多个同步轮传动连接的同步带；上述结构即可可以实现滚筒单元的同向转动、逆向锁死，结构简单，有利于滚筒单元本身的平衡。
40.具体的，多个滚筒单元同方向的另一端部设有动力输出组4，动力输出组4包括与每个滚筒单元内的电机输出轴传动连接的动力转换齿轮组、以及与多个动力转换齿轮组同时啮合传动的动力输出齿轮组；上述结构可知，只有所有动力转换齿轮组的力的输出方向一致才能使动力输出齿轮组输出动力，否则，动力输出齿轮组将锁死。
41.具体的，在其他技术方案中，滚筒单元同方向的另一端部设有动力输出组，动力输出组包括与每个滚筒单元内的电机输出轴传动连接的动力转换齿轮组，多个动力转换齿轮组通过过渡齿轮啮合传动，并通过其中一个动力转换齿轮组输出动力；上述结构可知，只有所有动力转换齿轮组的力的输出方向一致才能使过渡齿轮转动，否则，将通过过渡齿轮将电机输出轴锁死。
42.本发明通过设置至少两个滚筒单元，可以在一个平衡车上放置多个滚筒单元，提高了空间利用率，且多个滚筒单元内能够放置更多的电池组，大大提高了平衡车的续航能力；且通过将反扭动力组和动力输出组设置在滚筒单元的外部，使滚筒内的结构简单，更容易做到动态平衡，有利于平衡能力的实际落地。
43.另外，本发明的反扭动力装置可以根据不同的车型，以不同的方式布局来放置，比如水平空间大的，多个滚筒单元可以水平布局，类似踏板车，可以放置在踏板下面；垂直空间大的，多个滚筒单元可以上下布局，比如跨骑车；由此可知，本发明中的滚筒单元布局灵
活，对车身空间利用率高，进而可以放置更多的电池，增加车辆的续航，更利于产品的实际落地。
44.具体的，如图1、图2所示，在一种可行的实施方案中，滚筒单元有两个，分别为平行设置的第一滚筒单元1和第二滚筒单元2，第一滚筒单元1和第二滚筒单元2同一方向的端部分别固定有第一传动轴11和第二传动轴21，反扭动力组3包括固定套装在第一传动轴11上第一齿轮31、套装在第二传动轴21上的第二齿轮32、以及连接第一齿轮31和第二齿轮32的中间齿轮33，中间齿轮33的作用都是为了使第一齿轮31和第二齿轮32同步运动或者锁定；第一齿轮31、第二齿轮32以及中间齿轮33均通过轴承固定在车架上，可以相对车架自由旋转；基于上述第一齿轮31、第二齿轮32以及中间齿轮33的连接方式，第一滚筒单元1和第二滚筒单元2只能同方向同速度旋转或者锁死不旋转；至于滚筒单元是否旋转基于各滚筒单元的受力情况。
45.具体的，本实施例中电机输出轴由第一滚筒单元1和第二滚筒单元2上远离反扭动力组3的一端延伸出，动力输出组4包括两个分别与第一滚筒单元1上的电机输出轴和第二滚筒单元2上的电机输出轴5传动连接的动力转换齿轮组，每个动力转换齿轮组均包括与电机输出轴5传动连接的锥齿轮41、与锥齿轮41啮合的第一动力转换锥齿42、以及与第一动力转换锥齿42联动的第二动力转换锥齿43；两个第二动力转换锥齿43均与动力输出锥齿44啮合传动，动力输出锥齿44套装在动力输出轴45上，从而将电机输出轴的动力传输到动力输出轴45上；需要知道，锥齿轮41、第一动力转换锥齿42、第二动力转换锥齿43、以及动力输出锥齿44都是相对车架自由旋转的；基于上述连接方式，理想状态下，如果两个电机输出轴5的出力相同，旋转方向相同，会导致第一动力转换锥齿42、第二动力转换锥齿43以及动力输出锥齿44卡死不动，进而导致电机输出轴和转子卡住；此时，第一滚筒单元1和第二滚筒单元2在反作用力的作用下，跟与其固定在一起的动力电机、电池组同向加速旋转，进而对车架产生反扭力；同理，在理想状态下，如果两个电机输出轴5的出力相同，旋转方向相反，则两个电机输出轴5会反向旋转，进而对滚筒单元产生相反的作用力，试图使第一滚筒单元1和第二滚筒单元2分别朝相反的方向旋转，但是由于反扭动力组3中齿轮的连接方式，使电机定子对滚筒单元的作用力相互抵消，第一滚筒单元1和第二滚筒单元2保持不动，两个电机输出轴5的所有动力通过动力输出组输出；若在同时需要动力和反扭力的情况下，可以使两个动力电机产生扭力差，即可实现动力、反扭力同时输出。
46.可以知道，本实施例中反扭力的方向以及动力输出的旋转方向，都可以通过两个动力电机的相对扭力差的方向来进行控制。
47.具体的，如图3、图4所示，在一种可行的实施方案中，反扭动力组3包括固定套装在第一传动轴11上第一同步轮35、套装在第二传动轴21上的第二同步轮36、以及连接第一同步轮35和第二同步轮36的同步带34，同步带34的作用都是为了使第一同步轮35和第二同步轮36同步运动或者锁定；电机输出轴5由第一滚筒单元1和第二滚筒单元2上远离反扭动力组3的一端延伸出，动力输出组4包括与第一滚筒单元1上的电机输出轴传动连接的第一传动齿轮46、与第一传动齿轮46传动连接的第二传动齿轮47、与第二滚筒单元2上的电机输出轴传动连接的第三传动齿轮48、以及与第二传动齿轮47和第三传动齿轮48均传动连接的第四传动齿轮49，第四传动齿轮49套装在动力输出轴上；其中，第一传动齿轮46、第二传动齿轮47、第三传动齿轮48以及第四传动齿轮49均可相对车架自由旋转，当与第一传动齿轮46
连接的电机输出轴顺时针旋转时，第二传动齿轮47逆时针旋转，第四传动齿轮49顺时针旋转，此时，如果与第三传动齿轮48连接的电机输出轴逆时针旋转，则四个传动齿轮可以自由旋转，通过第四传动齿轮49输出动力；如果与第三传动齿轮48连接的电机输出轴用与第一传动齿轮46连接的电机输出轴同样的扭力，也试图做跟第一传动齿轮46一样顺时针旋转，则会导致四个传动齿轮卡死，进而导致两个电机输出轴的转子卡死，受反作用力的影响，第一滚筒单元1和第二滚筒单元2跟与其固定在一起的电池组和电机定子同向旋转，产生反扭力。
48.可以知道，如图1-4中，在上述两种实施例中，如果某一滚筒单元发生故障，则反扭动力组3的结构可将另一滚筒单元锁定，从而使无故障的滚筒单元直接输出动力，为平衡车提供了额外的动力冗余能力。
49.具体的，如图5、图6所示，在一种可行的实施方案中，有三个平行设置的滚筒单元，三个滚筒单元两端的反扭动力组和动力输出组可依据上述两个滚筒方案的结构进行设计，且原理与两个滚筒单元的方案也一致，此处就不再重复赘述。
50.综上所述，本发明中不管滚筒单元设计几个，均是使用车身已有的质量作为反扭力飞轮，不增加额外的重量和体积，减少了车身的空间占用，降低了车身质量和成本，进而降低了能量消耗，同时使平衡车获得自平衡能力，大幅提升了平衡车的安全性；另外，多个滚筒单元在空间受限的车身上更便于布局，同时能提供更大的电池安装空间，有利于提升车辆的续航能力，同时更大的电池质量也增加了滚筒的质量，更有利于车身平衡能力的提升；每个滚筒单元内仅仅内置单个动力电机，相对来说，动力电机的大小不受限，使滚筒单元的空间内可以安装更大功率的电机，更有利于提升平衡车的动力/反扭性能。
51.本发明还提供一种平衡车的控制系统，包括上述任意一项的应用于平衡车的反扭动力装置，还包括安装在车架上的车身姿态检测系统和动力系统。
52.本发明还提供一种平衡车的平衡控制方法，包括上述平衡车的控制系统，并根据车身姿态检测系统实时获取平衡车当前的车身姿态；
53.在平衡车行驶过程中，若经判断获知平衡车当前的车身姿态达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以不同的功率输出，使反扭动力组和动力输出组同时工作，修正当前车身姿态的同时，平衡车向前行进；具体为，滚筒单元内的动力电机产生功率差，使多个电机产生的反扭力不一致，形成反扭力差，使得滚筒单元相对车身加速旋转，从而提供修正车身需要的反扭力。
54.或在平衡车行驶过程中，若经判断获知平衡车当前的车身姿态未达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以相同的功率输出使反扭动力组锁定，动力输出组全动力输出；
55.或在平衡车处于未行驶状态，若经判断获知平衡车当前的车身姿态达到预设的翻转姿态，则控制多个滚筒单元内的动力电机以相同的功率输出，使动力输出组锁定，多个滚筒单元同向旋转输出反扭力，以修正平衡车当前的车身姿态；具体为，滚筒单元同向旋转，产生的反扭力方向相同，动力输出轴经动力输出组内的齿轮转换后，加载在动力输出轴上的力相反，理想状态下，动力输出轴接近停止转动，无动力输出，此时滚筒单元由于电机输出轴的卡死，定子跟滚筒单元相对车身通向旋转，动力几乎完全用于反扭，以修正当前车身姿态。
56.以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。