1.本发明属于无人驾驶摩托车技术领域，尤其涉及一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置。
背景技术：2.摩托车从被发明以来就是人类的主要交通工具，在各个领域都发挥着无可替代的作用。近年来，随着机器人、人工智能等技术的发展，无人摩托车的实现成为了现实，其作为新型自动驾驶的交通工具，具有体积小，越野性强等优点，未来在野外探险、灾区救援等方面都拥有广阔应用前景。
3.摩托车是一个典型的自然不稳定的非完整性限制的复杂系统，具有静态不稳定性的特点，因此保持无人摩托车的自稳定性是实现摩托车无人驾驶的重要前提。当前对于无人摩托车自平衡系统的研究，主要方法有：基于前叉控制转向原理、基于惯性轮平衡原理的、基于配重块调节原理的以及基于陀螺仪原理的等车体平衡控制方法。其中，基于前叉转向的无人摩托，不需要对摩托车本体结构进行较大改造，仅通过控制车把转向角进行车身平衡控制，但该方法不能维持车身的静态平衡并且抗干扰能力较差；基于惯性轮原理的无人摩托，利用飞轮加速转动的惯性力矩平衡车身的重力矩，但在负载较大情况下，其调节能力有限；基于配重块调节的无人摩托，通过调整一个可移动重物来调节整个车身的重心用以维持平衡，其实际可操作性和抗干扰性能都较差。基于陀螺仪原理的无人摩托，控制力矩陀螺所提供的输出控制力矩远大于惯性轮，因此更便于实现无人摩托的平衡控制，并具有较强的抗干扰性。
4.传统控制力矩陀螺最初是用于航空航天的惯性器件，普通陀螺式结构抗力学环境能力强，但结构尺寸大，不适用于车载装置。悬臂式陀螺结构紧凑、体积小，但抗力学环境性能稍差，不适用于干扰强的环境。近年来，有部分国内外公司和高校研发了适用于无人驾驶摩托车的控制力矩陀螺装置，国内清华大学cn110962977b专利公开了一种无人摩托转动陀螺主动平衡装置及无人摩托，采用了内转子结构设计，其内部空间仍存在较大空闲，电机与编码器线需分别引出。国外litmotors公司us008706390b2专利公开了一种基于陀螺稳定的摩托车，其所用的陀螺装置采用的外转子结构，但其专利并未公布具体技术细节，其电机编码器等具体布置并未公开，同时公开细节上其陀螺外框空间冗余大，占用空间大。
技术实现要素：5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，包括陀螺外框、两个飞轮进动装置和两个飞轮自转装置；两个飞轮自转装置在车身轴线方向上，间隔地且可转动地安装在陀螺外框内；两个飞轮进动装置分别安装于两个飞轮自转装置对侧，且所述飞轮进动装置轴线与所述飞轮自转装置轴线垂直相交；所
述飞轮自转装置可在所述飞轮进动装置的驱动下，在所述陀螺外框的支撑下，进行双向对称旋转运动。
7.进一步地，所述陀螺外框和摩托车车身固定连接。
8.进一步地，两个飞轮进动装置形状尺寸性能一致；两个飞轮自转装置形状尺寸性能一致。
9.进一步地，所述陀螺外框包括左侧陀螺外框壳体及右侧陀螺外框壳体。所述左侧陀螺外框壳体及所述右侧陀螺外框壳体镜像对称，并通过螺栓固定连接为一体。
10.进一步地，所述飞轮进动装置包括进动电机组件、连接件、支撑轴承及进动端盖；所述进动电机组件安装于所述陀螺外框；所述进动电机组件通过所述连接件与所述飞轮自转装置一端连接，所述飞轮自转装置可在所述进动电机组件的带动下进行旋转运动；所述支撑轴承过盈的安装于所述陀螺外框内，所述飞轮自转装置另一端安装于所述支撑轴承中，并可通过支撑轴承绕所述陀螺外框转动；所述进动端盖固定安装于所述陀螺外框上。
11.进一步地，所述进动电机组件包括电机外定子、电机内转子及进动电机编码器。所述电机内转子可转动的位于所述电机外定子内部；所述电机外定子安装于所述陀螺外框；所述电机内转子与所述连接件一端固定连接；所述进动电机编码器安装于所述电机内转子后端，用以检测所述进动电机内转子的角位移。
12.进一步地，所述飞轮自转装置包括飞轮外壳、下端轴承、飞轮转子组件、自转电机定子、支架组件、上端轴承、上端盖组件及格兰头；所述飞轮外壳在进动轴线上具有左右延伸的进动轴；所述飞轮自转装置通过所述飞轮外壳上所述左右延伸的进动轴，一端与所述连接件固定连接，另一端与所述支撑轴承可转动的连接；所述下端轴承及自转电机定子过盈的安装于所述飞轮外壳内部中心轴上；所述飞轮转子组件安装于所述飞轮外壳内部中心轴上，并通过所述下端轴承可绕所述飞轮外壳中心轴转动；所述支架组件固定于所述飞轮转子组件上端；所述上端轴承嵌套于所述支架组件；所述上端盖组件与所述飞轮外壳固定连接；所述格兰头固定连接在所述上端盖组件上。
13.进一步地，所述飞轮自转装置还包括电机和编码器引出线；电机和编码器引出线从格兰头中穿出。
14.进一步地，所述飞轮转子组件包括飞轮、自转电机转子；所述自转电机转子过盈的与所述飞轮固定连接。
15.进一步地，所述支架组件包括轴承支架、跟踪磁极；所述跟踪磁极嵌套入所述轴承支架顶部。
16.进一步地，所述上端盖组件包括上端盖、霍尔传感器电路板及绝缘垫圈；所述绝缘垫圈位于所述霍尔传感器电路板背部；所述霍尔传感器电路板及所述绝缘垫圈与所述上端盖固定连接。所述霍尔传感器电路板用于检测所述跟踪磁极的变化，从而检测所述飞轮转子组件的自转速度。
17.本发明的有益效果是：本发明的陀螺外框采用了双球型外壳设计，提高了空间利用率可提升无人摩托车的灵巧性，同时便于安装飞轮进动组件和飞轮转子组件；在飞轮转子组件中采用了外转子结构设计，在相同的尺寸空间内可以提供更大的控制力矩，同时便于引出电机线及编码器线，结构紧凑占用空间小、抗力学环境能力强、能量密度大，可实现在直径220mm高70mm以内的圆柱空间内，使飞轮自转速度达7000rpm以上，进而实现无人摩
托车自主平衡控制，提升无人摩托车的抗干扰能力，增强无人摩托车的负载能力和越野性能，提高无人摩托车的实用性。
附图说明
18.图1是本发明实施例的控制力矩陀螺装置的整体外观示意图；
19.图2是本发明实施例的控制力矩陀螺装置的飞轮进动装置的爆炸图；
20.图3是本发明实施例的控制力矩陀螺装置的整体水平剖视图；
21.图4是本发明实施例的控制力矩陀螺装置的飞轮自转装置的爆炸图；
22.图5是本发明实施例的控制力矩陀螺装置的飞轮自转装置垂直剖视图；
23.图中：1为陀螺外框；101为左侧陀螺外框壳体、102为右侧陀螺外框壳体；2011为电机外定子、2012为电机内转子、2013为进动电机编码器；202为连接件、203为支撑轴承、204为进动端盖；3为飞轮自转装置；301为飞轮外壳、302为下端轴承、3031为飞轮、3032为自转电机转子；304为自转电机定子、3051为轴承支架、3052为跟踪磁极；306为上端轴承、3071为霍尔传感器电路板、3072为绝缘垫圈、3073为上端盖；308为格兰头、309为电机和编码器引出线。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
25.本发明的说明书附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.本发明一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，包括如图1所示的陀螺外框1、两个飞轮进动装置和两个飞轮自转装置3。
27.具体地，陀螺外框1和摩托车车身固定连接。两个飞轮自转装置3形状尺寸性能一致。两个飞轮自转装置3在车身轴线方向上，间隔地且可转动地安装在陀螺外框1内。两个飞轮进动装置形状尺寸性能一致。两个飞轮进动装置，分别安装于两个飞轮自转装置3对侧；且飞轮进动装置的轴线与飞轮自转装置3的轴线垂直相交。飞轮自转装置3可在飞轮进动装置的驱动下，在陀螺外框1的支撑下，进行双向对称旋转运动。本发明使用两个飞轮自转装置3及两个飞轮进动装置双向对称布局，可使对无人摩托车侧向平衡有益的陀螺力矩分量叠加，使对摩托车侧向平衡无益的陀螺力矩分量相互抵消，有益于无人摩托的平衡控制。
28.如图2所示，陀螺外框1包括左侧陀螺外框壳体101及右侧陀螺外框壳体102。左侧陀螺外框壳体101及右侧陀螺外框壳体102镜像对称，并通过螺栓固定连接为一体。本发明双球形的陀螺外框1设计，最大化的节省了控制力矩陀螺装置的安装空间，提高了摩托车本体的灵巧性，同时左右壳体的分型设计便于安装所述飞轮自转装置3及所述飞轮进动装置。
29.飞轮进动装置包括进动电机组件、连接件202、支撑轴承203及进动端盖204。进动电机组件通过螺栓安装于左侧陀螺外框壳体101(右侧陀螺外框壳体102)。进动电机组件通过连接件202与飞轮自转装置3一端连接；飞轮自转装置3可在进动电机组件的带动下进行旋转运动。支撑轴承203过盈的安装于左侧陀螺外框壳体101(右侧陀螺外框壳体102)内；飞轮自转装置3另一端安装于支撑轴承203中，并可通过支撑轴承203绕陀螺外框1转动。进动
端盖204通过螺栓固定安装于左侧陀螺外框壳体101(右侧陀螺外框壳体102)上。
30.如图3所示，进动电机组件包括电机外定子2011、电机内转子2012及进动电机编码器2013。电机内转子2012可转动的位于电机外定子2011内部；电机外定子2011可通过螺栓安装于左侧陀螺外框壳体101(右侧陀螺外框壳体102)；电机内转子2012可通过螺栓与连接件202一端固定连接；进动电机编码器2013安装于电机内转子2012后端，用以检测进动电机内转子2012的角位移。本发明通过所述飞轮进动装置可使所述飞轮自转装置3进行进动旋转运动，从而产生所需的控制力矩。
31.如图4所示，飞轮自转装置3包括飞轮外壳301、下端轴承302、飞轮转子组件、自转电机定子304、支架组件、上端轴承306、上端盖组件、格兰头308及电机和编码器引出线309。飞轮外壳301在进动轴线上具有左右延伸的进动轴；飞轮自转装置3通过飞轮外壳301上左右延伸的进动轴，一端与连接件202固定连接，另一端与支撑轴承203可转动的连接。下端轴承302及自转电机定子3034过盈的安装于飞轮外壳301内部中心轴上。飞轮转子组件安装于飞轮外壳301内部中心轴上，并通过下端轴承302可绕飞轮外壳301中心轴转动。支架组件通过螺栓固定于飞轮转子组件上端。上端轴承306嵌套于支架组件。上端盖组件通过螺栓与飞轮外壳301固定连接。格兰头308通过螺纹固定连接在上端盖组件上。电机和编码器引出线309从格兰头308中引出并固定。
32.如图5所示，飞轮转子组件包括飞轮3031、自转电机转子3032。自转电机转子3032过盈的与飞轮3031固定连接为一体。
33.支架组件包括轴承支架3051、跟踪磁极3052。跟踪磁极3052嵌套入轴承支架3051顶部。
34.上端盖组件包括上端盖3073、霍尔传感器电路板3071及绝缘垫圈3072。绝缘垫圈3072位于霍尔传感器电路板3071背部，霍尔传感器电路板3071及绝缘垫圈3072通过螺栓与上端盖3073固定连接。霍尔传感器电路板3072用于检测跟踪磁极3052的变化，从而检测飞轮转子组件的自转速度。本发明外转子飞轮结构设计，内部便于集成电机，能量密度更大，通过所述飞轮转子组件的高速旋转运动，可提供巨大转动惯量，极大的提升无人摩托车的负载能力和抗干扰性能。
35.本发明的工作原理为：在基于控制力矩陀螺装置的无人摩托车系统中，自主平衡的原理是利用陀螺仪进动效应产生的进动力矩来使摩托车保持平衡。将飞轮进动装置及飞轮自转装置3通过螺栓安装与陀螺外框1上，并将装配好的控制力矩陀螺装置整体，通过陀螺外框1上的耳座与摩托车本体固定连接为一体。当飞轮3031在高速旋转时会产生沿着飞轮3031旋转轴线的角动量。当飞轮自转装置3在飞轮进动装置的驱动下发生进动运动时，会产生一个陀螺力矩，该力矩可用来克服外力矩的作用，使摩托车恢复平衡。
36.本发明采用了外转子结构设计，在相同的尺寸空间内可以提供更大的控制力矩，同时便于引出电机线及编码器线，结构更为紧凑占用空间小、抗力学环境能力强、能量密度大，可以实现无人摩托车自主平衡控制，提升无人摩托车的抗干扰能力，增强无人摩托车的负载能力和越野性能，提高无人摩托车的实用性。
技术特征：1.一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，包括陀螺外框、两个飞轮进动装置和两个飞轮自转装置；两个飞轮自转装置在车身轴线方向上，间隔地且可转动地安装在陀螺外框内；两个飞轮进动装置分别安装于两个飞轮自转装置对侧，且所述飞轮进动装置轴线与所述飞轮自转装置轴线垂直相交；所述飞轮自转装置可在所述飞轮进动装置的驱动下，在所述陀螺外框的支撑下，进行双向对称旋转运动。2.根据权利要求1所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述陀螺外框和摩托车车身固定连接；两个飞轮进动装置形状尺寸性能一致；两个飞轮自转装置形状尺寸性能一致。3.根据权利要求1所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述陀螺外框包括左侧陀螺外框壳体及右侧陀螺外框壳体；所述左侧陀螺外框壳体及所述右侧陀螺外框壳体镜像对称，并通过螺栓固定连接为一体。4.根据权利要求1所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述飞轮进动装置包括进动电机组件、连接件、支撑轴承及进动端盖；所述进动电机组件安装于所述陀螺外框；所述进动电机组件通过所述连接件与所述飞轮自转装置一端连接，所述飞轮自转装置可在所述进动电机组件的带动下进行旋转运动；所述支撑轴承过盈的安装于所述陀螺外框内，所述飞轮自转装置另一端安装于所述支撑轴承中，并可通过支撑轴承绕所述陀螺外框转动；所述进动端盖固定安装于所述陀螺外框上。5.根据权利要求4所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述进动电机组件包括电机外定子、电机内转子及进动电机编码器；所述电机内转子可转动的位于所述电机外定子内部；所述电机外定子安装于所述陀螺外框；所述电机内转子与所述连接件一端固定连接；所述进动电机编码器安装于所述电机内转子后端，用以检测所述进动电机内转子的角位移。6.根据权利要求1所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述飞轮自转装置包括飞轮外壳、下端轴承、飞轮转子组件、自转电机定子、支架组件、上端轴承、上端盖组件、格兰头；所述飞轮外壳在进动轴线上具有左右延伸的进动轴；所述飞轮自转装置通过所述飞轮外壳上所述左右延伸的进动轴，一端与所述连接件固定连接，另一端与所述支撑轴承可转动的连接；所述下端轴承及自转电机定子过盈的安装于所述飞轮外壳内部中心轴上；所述飞轮转子组件安装于所述飞轮外壳内部中心轴上，并通过所述下端轴承可绕所述飞轮外壳中心轴转动；所述支架组件固定于所述飞轮转子组件上端；所述上端轴承嵌套于所述支架组件；所述上端盖组件与所述飞轮外壳固定连接；所述格兰头固定连接在所述上端盖组件上。7.根据权利要求6所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述飞轮自转装置还包括电机和编码器引出线；电机和编码器引出线从格兰头中穿出。8.根据权利要求6所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述飞轮转子组件包括飞轮、自转电机转子；所述自转电机转子过盈的与所述飞轮固定连接。9.根据权利要求6所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述支架组件包括轴承支架、跟踪磁极；所述跟踪磁极嵌套入所述轴承支架顶部。10.根据权利要求6所述用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置，其特征在于，所述上端盖组件包括上端盖、霍尔传感器电路板及绝缘垫圈；所述绝缘垫圈位于所述霍尔传
感器电路板背部；所述霍尔传感器电路板及所述绝缘垫圈与所述上端盖固定连接；所述霍尔传感器电路板用于检测所述跟踪磁极的变化，从而检测所述飞轮转子组件的自转速度。
技术总结本发明公开了一种用于无人摩托自主平衡的控制力矩陀螺装置。其中，陀螺外框采用了双球型外壳设计，提高了空间利用率可提升无人摩托车的灵巧性，同时便于安装飞轮进动组件和飞轮转子组件；在飞轮转子组件中采用了外转子结构设计，在相同的尺寸空间内可以提供更大的控制力矩，同时便于引出电机线及编码器线，结构紧凑占用空间小、抗力学环境能力强、能量密度大，可实现在直径220mm高70mm以内的圆柱空间内，使飞轮自转速度达7000RPM以上，进而实现无人摩托车自主平衡控制，提升无人摩托车的抗干扰能力，增强无人摩托车的负载能力和越野性能，提高无人摩托车的实用性。提高无人摩托车的实用性。提高无人摩托车的实用性。
技术研发人员：朱秋国 贾尚斌 贾宁波 吴俊 钱徽
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
