两轮车中的陀螺仪稳定的利记博彩app

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【专利摘要】在本发明的实施方式中，车辆稳定控制单元可确定连接至车架的一个或多个陀螺仪为了稳定所述车架要施加的控制力矩值。用于一个或多个陀螺仪的惯性轮进行旋进的输入轴的数目可被增加，以便产生所确定的控制力矩值。在一些实施方式中，所述一个或多个陀螺仪还联接至转盘，增大用于所述惯性轮的输入轴的数目包括旋转所述转盘。此外，在一些实施方式中，所述一个或多个陀螺仪包括至少两个直排联接至所述车架的陀螺仪(例如，相对于前轮和后轮纵向地对齐，以相对于彼此在相反的方向上旋转和旋进)。
【专利说明】两轮车中的陀螺仪稳定
[0001] 优先权声明
[0002] 本申请要求2012年2月27日递交的临时申请No. 61/603, 885和2012年2月27 日递交的临时申请No. 61/603, 886的优先权。

【技术领域】
[0003] 本发明的实施方式总体涉及交通车辆，特别是涉及车辆稳定系统。

【背景技术】
[0004] 利用控制力矩陀螺仪（CMG)，通过交换角动量，转矩可在对象（例如，车体或结构） 内生成且施加到该对象上。CMG可被定义为从在给定速度下旋转的惯性轮交换角动量的方 法，通过关于垂直于旋转惯性轮的轴枢转或吊挂（gimballing)惯性轮，角动量被转换成转 矩，然后通过将CMG系统刚性安装在感兴趣的对象的结构上，将角动量施加于感兴趣的对 象。CMG的输出转矩典型地通过陀螺仪旋进而正交于惯性轮轴和万向架轴而定向，如果CMG 的惯性轮是正交的，则不生成有效转矩。
[0005] 在陀螺仪装置中，惯性轮通过驱动轴旋转，通过接合部，惯性轮连接至该驱动轴。 陀螺仪转矩将倾向于使惯性轮关于中心位置以两个自由度振动，其中，惯性轮轴与驱动轴 的轴对齐。在制造惯性轮期间，缺陷限制了所产生的转矩的精确性。在目前的解决方案中， 为了使陀螺仪装置产生精确的转矩水平，惯性轮必须被加工成即使有任何缺陷的话，也有 很少的缺陷，这显著地推进产生这样的惯性轮的劳动力和成本量。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 参照以下附图，对本发明的非限制性的且非穷尽的实施方式进行了描述，其中，在 各视图中相似的附图标记指代相似的部件，除非另有说明。应当理解的是，以下附图可以不 按比例绘制。
[0007] 图1至图IB为根据本发明的实施方式的陀螺仪稳定单元的说明。
[0008] 图2A和图2B为根据本发明的一实施方式的多轴旋转陀螺仪和外罩的说明。
[0009] 图3为根据本发明的一实施方式的用于控制一个或多个多轴旋转陀螺仪的控制 系统的说明。
[0010] 图4为根据本发明的一实施方式的用来执行系统控制器的计算装置的说明。
[0011] 图5示出包含本发明的一个或多个实施方式的直排两轮车。
[0012] 图6A至图6E示出根据本发明的一实施方式的利用控制力矩陀螺仪单元的两轮 车。
[0013] 图7A至图7B示出根据本发明的一实施方式的用于陀螺仪稳定单元的惯性轮。
[0014] 图8示出根据本发明的一实施方式的包括惯性轮的陀螺仪稳定单元。
[0015] 接着是对某些细节和实施的描述，包括可以示出以下描述的一些或者全部实施方 式的附图的说明，以及本文提出的创造性概念的其他可能的实施方式或实施的讨论。以下 提供本发明实施方式的概述，随后参照附图，提供更详细的说明。

【具体实施方式】
[0016] 本发明的实施方式描述了用于利用一个或多个多轴旋转陀螺仪（例如，控制力矩 陀螺仪（CMG))的方法、装置和系统。增大用于所述一个或多个陀螺仪的惯性轮的旋进轴 的数目，以便产生确定的控制力矩值。本发明的实施方式考虑对两轮车的姿态控制（即， pitch (俯仰）、roll (侧倾）和yaw (偏航））。
[0017] 陀螺仪为用来以重型旋转质量存储能量的机械装置。当能量被提取作为特别用于 控制目的的转矩时，该装置被称为CMG。在操作上，通过在一个轴上输入转矩，以在垂直轴上 产生相应的转矩，将CMG用于姿态控制。本发明的实施方式能够利用一个或多个具有三个 自由度（侧倾、俯仰和偏航）的陀螺仪一例如，用于两轮车或更多轮的车辆的姿态控制。
[0018] 在下文的描述中，列举了许多具体细节以提供对实施方式透彻的理解。然而，相关 领域的技术人员会意识到本文所述技术可以在没有所述具体细节中的一个或多个具体细 节的情况下，或者利用其他方法、部件、材料等实施。在其他的实例中，公知的结构、材料或 操作没有被示出或详细描述，以避免使得某些方面含糊不清。
[0019] 图IA至图IB为根据本发明的实施方式的陀螺仪稳定单元的说明。本发明的实施 方式中，车辆利用陀螺仪稳定单元来提高车辆在各种驾驶情况下（如静止，慢速，以及转弯 期间）的稳定性。
[0020] 图IA示出了陀螺仪组件100,包括惯性轮102、联接至惯性轮的惯性轮电动发电机 104、联接至该电动发电机的万向架106、以及具有驱动部112 (用于联接至万向架106)和框 架部114(用于联接至包括陀螺仪组件的车辆）的旋进发动机110。在本实施方式中，旋进 电动发电机框架部114通过固定安装在车架上的安装支架108与车辆联接。
[0021] 惯性轮102被包含在具有底部120和顶部122的陀螺仪外罩中，在本实施方式中， 所述底部120和顶部122利用螺纹紧固件124和定位销126组装。陀螺仪外罩顶部122被 示出包括万向架106以及用来支撑惯性轮102的轴承壳128,所述万向架为旋进陀螺仪组件 提供旋进轴以产生可以保持车辆100的稳定性的反转矩。电动发电机安装螺栓130和惯性 轮安装螺栓132用于联接惯性轮电动发电机104、惯性轮102和陀螺仪外罩。在本实施方 式中，惯性轮102和惯性轮电动发电机104都被包含在陀螺仪上外罩部分120和陀螺仪下 外罩部分122中，以便于维修和保护。陀螺仪稳定器100理论上可以被设置在车辆的任何 位置，只要它可以联接至车架，以便向车架传输旋进发动机（如，发动机110)的反转矩。例 如，在标准情况下，陀螺仪稳定器100可以被近似设置在车辆的预期的坚直的和前后的重 心（"CG，，）。
[0022] 图IB示出陀螺仪组件150,包括惯性轮152、惯性轮外罩154、和惯性轮发动机 156。如下所述，在本发明的实施方式中，车辆稳定控制回路（或者可替选地，逻辑、模块、或 这些部件的任何组合）可确定一个或多个联接至车架的陀螺仪为稳定车架而要施加的控 制力矩值。用于所述一个或多个陀螺仪的惯性轮进行旋进的输入轴的数目可被调整（例 如，增加），以便产生所确定的控制力矩值。
[0023] 图2A至图2B为根据本发明的一实施方式的多轴旋转陀螺仪的说明。在该实施方 式中，陀螺仪200和陀螺仪210被示出分别具有旋进轴202和旋进轴212。如果所述陀螺仪 的惯性轮中的任何一个惯性轮垂直于表面（即，正交），则它们不再产生有效转矩。换句话 说，在车辆稳定过程期间，所述一个或多个惯性轮移动其旋进轴，因此其随着时间变化一如 果其必须旋进太多，则其不会产生有效转矩。
[0024] 本发明的实施方式通过旋转陀螺仪200和陀螺仪210的旋转轴（分别表现为轴 204和轴214)，增加了输入轴的数目以产生给定的控制运动。因此，当在两轮车上利用陀螺 仪200和陀螺仪210时，提供三个自由度。
[0025] 通过在每个陀螺仪的惯性轮上利用多于一个控制轴，可实现车辆的定向的额外控 制级别。一个受控的自由度，当对准与车辆的侧倾轴和惯性轮的旋转轴相互正交的轴时，可 控制车辆的侧倾。另外的自由度允许对另一个旋转轴进行控制。
[0026] 在该实施方式中，陀螺仪200和陀螺仪210还联接至转盘220,增大用于惯性轮 的输入轴的数目还包括旋转该转盘。例如，陀螺仪200和陀螺仪210可包括直排联接至车 架的陀螺仪（例如，相对于前轮和后轮纵向地对齐以相对于彼此在相反的方向上旋转和旋 进）。转盘220可改变这些陀螺仪的对齐，以使其对齐移向为相对于车架横向地对齐、相对 于车架在高度方向上对齐等。如图2B所示，所述陀螺仪组件和转盘可被包括在CMG外罩 250中。如该附图所示，所述外罩还可包括一个或多个用来控制如下所述的CMG的位置、速 度或转矩输入或转矩输出的位置/速度传感器252。
[0027] 允许车辆稳定单元具有围绕平行于惯性轮的旋转轴的轴（图2A中示为轴222)的 额外的可控自由度，可以在惯性轮已是正交的边缘情况下对车辆的倾斜允许额外的控制。 在惯性轮在坚向取向时，关于侧倾轴的受控的自由度还可允许对车辆的俯仰进行控制。这 将允许对在车辆的前轮和后轮可得到的牵引力的水平进行控制。这点在一个轮已失去牵 引力的情况下是特别有用的一图2的陀螺仪系统能够对该轮转移重量，以帮助其恢复牵引 力。另外，当制动时，本发明的实施方式允许再次平衡车辆，以便维持相等的重量分布，以使 制动能力最大化。
[0028] 图3为根据本发明的一实施方式的用于控制一个或多个多轴旋转陀螺仪的控制 系统的说明。如图3所示，系统模块可以接收来自车辆传感器的信息，以确定车辆及其部件 的各种状态。在这个示例中，图3示出了用于确定车辆的陀螺仪的状态的陀螺仪状态模块 300、用于确定车辆的状态的车辆状态模块310、用于控制车辆的陀螺仪的陀螺仪控制模块 320、以及用于控制车辆其他方面的车辆校正模块330。尽管出于说明性的目的，以独立的模 块示出，但应当理解的是，模块300、模块310、模块320和模块330实际上可以包括更少数 量的或者更多数量的模块，并且，代替模块，本发明的实施方式可以包括电路、逻辑或者这 些部件的任何组合。
[0029] 陀螺仪状态模块300被示出用来接收来自于车辆的陀螺仪的传感器的传感器数 据302,例如，来自于联接至车辆的每个惯性轮的惯性轮传感器的数据。所述惯性轮传感器 生成指示重要测量值的信号，所述重要测量值包括相对于车架的惯性轮倾斜角、惯性轮倾 斜速率（即，旋进发动机绕其旋进轴转动惯性轮的转动速率）和轮盘速率（即，惯性轮盘绕 其旋转轴的旋转速率）。传感器数据302也可以包括指示陀螺仪的当前旋进轴的数据。陀 螺仪状态模块300可以使用该信息来确定由车辆的陀螺仪稳定器施加的力矩的实际瞬时 幅度和方向，作为陀螺仪状态数据304示出。
[0030] 所示的车辆状态模块310用来接收传感器数据312,所述传感器数据312可以包 括关于车辆的状态的传感器数据，包括其惯性状态、绝对状态。车辆的惯性状态可以指示旋 转加速度和线性加速度、速率和车辆的位置，而车辆的绝对状态可以指示车辆的倾斜角的 方向和大小、以及车辆的行驶方向、相对于地面的速度、绝对地理位置，均由包括电子罗盘 和GPS接收器的传感器提供。传感器数据312也可以包括指示驱动轮速度（即，每个驱动 轮的转速）、制动器状态（即，车辆驱动轮的减退率和转速）、使用者通过加速器和制动器向 车辆的输入、通过车辆的转向器命令的车辆回转半径等等的数据。车辆状态模块310生成 车辆状态数据314。
[0031] 车辆校正模块330使用车辆状态数据314来确定车辆的适合当前情况的倾斜角， 且将该倾斜角与车辆当前的倾斜角比较（包括车辆的姿态方面，例如，侧倾运动），以确定 车辆是否处于倾斜误差中（即，考虑到车辆的当前状态或预期状态，不稳定状态）。陀螺仪 控制模块320使用陀螺仪数据304,且与车辆模块330协力工作以改变车辆的陀螺仪的工作 状态，例如，惯性轮速度、旋进角，和提高/降低惯性轮的旋进轴，以便产生足够的反转矩以 稳定车辆或维持车辆在预期的倾斜范围内。
[0032] 图4是根据本发明的一实施方式的用来执行系统控制器的计算装置的说明。所示 的系统400可以为本文所述的车辆中包括的任何计算装置。如图所示,系统400包括用来 传送信息的总线通信部件418以及用于处理信息的联接至总线418的处理器410。系统还 包括联接至总线418的易失性存储内存412 (可替选地，在本文中称为主存储器），其用来存 储待由处理器410执行的信息和指令。主存储器412也可以用来存储处理器710执行指令 期间的临时变量或者其他中间信息。所述系统还包括联接至总线418的用来存储用于处理 器410的静态信息和指令的静态存储装置416、和数据存储装置414 (诸如磁盘或光碟及其 相应盘驱动器）。数据存储装置414联接至总线418,用来存储信息和指令。
[0033] 所述系统还可以联接到显示装置420,诸如阴极射线管（CRT)或者液晶显示器 (IXD)，所述显示装置通过总线426联接至总线418,用于向计算机用户显示信息。I/O装置 422也可以通过总线426联接至总线418,用来向处理器410传送信息和指令选择（如，字 母数字数据和/或光标控制信息）。
[0034] 另一装置，可以可选地联接至计算机系统400,为用于访问网络的通信装置424。 通信装置424可以包括多个市售的联网外围装置中的任一个，诸如用于联接至以太网、令 牌环、因特网或者广域网的联网外围装置。通信装置424还可以为零调制解调器连接，或者 提供计算机系统400与其他装置之间的连接的任何其他机构。需注意的是，如图4所示的 该系统的任何一个或者全部部件以及相关的硬件可以使用在本发明的各实施方式中。
[0035] 本领域的普通技术人员应理解的是，根据特定的实施，该系统的任何配置可以用 于各种目的。实施本发明的实施方式的控制逻辑或软件可以被存储在主存储器412、大容量 存储装置414或者处理器410可以本地地或远程地进行访问的其他存储媒介中。
[0036] 通信装置424可以包括硬件装置（例如，无线的和/或有线的连接器以及通信硬 件）和软件部件（例如，驱动程序、协议栈）以使系统400能够与外部装置通信。所述装置 可以为独立的装置，如其他计算装置、无线接入点或者基站，也可以为周边设备，如耳机、打 印机或其他设备。
[0037] 通信装置424可以能够进行多种不同类型的连接，例如，蜂窝连接和无线连接。蜂 窝连接通常指的是由无线运营商提供的蜂窝网络连接，诸如由GSM(全球移动通信系统）或 者变型或衍生品提供的蜂窝网络连接，CDM(码分多址接取）或者变型或衍生品提供的蜂 窝网络连接，TDM(时分多路复用）或变型或衍生品提供的蜂窝网络连接，或者其他蜂窝服 务标准提供的蜂窝网络连接。无线连接指的是非蜂窝的无线连接，可以包含个域网（如蓝 牙）、局域网（如WiFi)和/或广域网络（如WiMax)或者其他无线通信。
[0038] 对本领域的普通技术人员显然的是，本文所述的系统、方法和过程可被实施作为 存储于主存储器412或者只读存储器416中并由处理器410执行的软件。该控制逻辑或者 软件也可以位于一件包含计算机可读介质的制造产品中，该计算机可读介质中实施有计算 机可读程序代码，所述计算机可读介质可由大容量存储装置414读取且使处理器410根据 本文的方法和教导进行运作。
[0039] 图5示出包含本发明的一个或多个实施方式的直排两轮车。在该实施方式中，车 辆500包括车架502,还包括第一驱动轮510和第二驱动轮520。
[0040] 在该实施方式中，陀螺仪稳定单元530通过车架502联接至车辆500。陀螺仪稳定 器530可包括容纳惯性轮532和惯性轮534的第一陀螺仪组件和第二陀螺仪组件；所述惯 性轮可以在尺寸和材料组成上不同，或者可以基本上相同。
[0041] 陀螺仪稳定器530可被控制，使得通过在每个陀螺仪的惯性轮上利用多于一个控 制轴，可实现车辆的定向的额外控制级别。一个受控的自由度，当对准与车辆的侧倾轴和惯 性轮的旋转轴相互正交的轴时，可控制车辆的侧倾。额外的自由度允许对另一个旋转轴进 行控制。
[0042] 在一些实施方式中，陀螺仪稳定器530还包括用来增大惯性轮的输入轴的数目的 可旋转的转盘。例如，所示的惯性轮532和惯性轮534直排联接至车架（例如，相对于前轮 510和后轮520,纵向地对齐）。所述转盘可改变这些陀螺仪的对齐，以将它们的对齐移向为 相对于车架横向地对齐、相对于车架在高度方向上对齐等。
[0043] 图6A至图6E示出根据本发明的一实施方式的利用控制力矩陀螺仪单元的两 轮车。在该实施方式中，图6A中所示的车辆600包括两轮车，该两轮车使用一个或多个 CMG (示为CMG 602)，其中，每个CMG包括惯性轮、惯性轮驱动发动机、具有三个自由度（即， 侧倾、俯仰和偏航）的外罩、和一个或多个用于分别独立地在侧倾、俯仰和偏航中驱动外罩 从而驱动惯性轮的发动机。
[0044] 本发明的实施方式还描述了利用位置传感器和速度传感器来用于CMG的所有状 态（即，惯性轮位置、速度和加速度、骨架姿态（即，侧倾、俯仰和偏航）、和与车辆600的车 体相关的所有尺寸）的直接闭环控制。当用于两个或更多个轮的车辆的姿态控制时，所述 姿态控制可包括下列任何一种和全部：车辆的侧倾、俯仰和偏航的直接控制；稳定性控制 和外部干扰抑制，包括风和来自道路或其他对象的施加于该车辆的任何力；碰撞场景下的 稳定；在一个轮子与地面接触不佳或不与地面接触的准稳定态的情况下的姿态控制；和当 完全离地时的姿态控制。当然，两个或更多个轮的车辆的姿态控制可包括未描述的其他场 旦 -5^ 〇
[0045] 在本发明的一些实施方式中，惯性轮旋转的控制可包括：位置、速率、加速度、或转 矩的直接控制（例如，惯性轮发动机的开环控制、具有所述状态传感器的惯性轮发动机的 闭环反馈控制）；CMG的姿态（即，侧倾、俯仰和偏航）的直接控制（例如，CMG的姿态的开 环控制、CMG的位置、速率、或转矩输入或转矩输出的闭环反馈控制）。
[0046] 在一些实施方式中，一个或多个CMG的惯性轮旋转的控制包括下列任何一种或全 部：所有CMG旋转的单独控制；使得由旋转产生的力矩被消除的惯性轮旋转方向控制；使得 从动装置反映主动装置的动作的主-从控制；对共同参照的惯性轮位置、速率、或转矩的闭 环控制；或对每个惯性轮的独特参照的惯性轮位置、速率、或转矩的闭环控制。
[0047] 此外，通过所有CMG的合输出力矢量的直接闭环控制、或通过一个或多个CMG的力 矢量化在每个轮胎上的法向力的直接闭环控制，本发明的实施方式可控制一个或多个CMG。 [0048] 如本文所述，直接姿态控制意味着力矢量的明确规范，使得车辆在其整个工作范 围中被稳定。操作可包括下列场景中的任何一种：笔直公路驾驶；具有频繁停车和转弯的 在低速下的本地驾驶；在来自风和其他车辆的干扰的存在下的驾驶；和转弯，包括低速转 弯、高速转弯、在干扰存在下的转弯、和陡峭的上坡或下坡上的转弯。图6B示出在转弯场 景下的直接姿态控制，包括在车辆600执行转弯轨迹（示为车辆状态600 (1)至车辆状态 600(3))时，正交力矢量变化的示例。
[0049] 本发明的实施方式还描述了在一个或多个车轮离开地面的准稳定的场景下的直 接姿态控制（如图6C所示）。操作可包括下列额外场景中的任何一种：完全离地场景，在 该场景下，所有的车轮离开地面，车辆的姿态将被完全受控用于安全降落（如图6D所示）； 和通过标准车辆不可能的动态地面机动，例如，低控制的烧胎（burnout)和低控制的抬前 轮（wheelie)〇
[0050] 除了在标准驾驶场景以及动态机动场景下提供稳定性之外，根据本发明的实施方 式所描述的CMG还可用于静不稳定车辆的躺式操作。像两轮摩托车那样的配置，在没有用 于平衡的CMG的情况下，将难以像在汽车中那样从躺式座位进行操作。此外，CMG对于在涉 及与其他车辆的撞击的场景中的碰撞损坏减轻是必要的且有用的。最后，在一个轮子空中 机动的情况下，CMG对于确保车辆的安全降落是必要的。
[0051] 陀螺仪由下面的运动方程控制：x = IO (_2sin Θ cos Θ ) +Isin Θ (cos Θ +) ;y = IO (sin Θ +2cos)-I(cos Θ +) ;z = I (+cos Θ-sin)
[0052] 作为输入欧拉率（即，俯仰率（Θ )、侧倾率（v)、和偏航率（φ ))的结果，动作方 程描述了关于X轴、y轴和Z轴的输出转矩。关于z轴⑴和关于X轴和y轴（Itl)的惯性 力矩为编码陀螺仪几何结构、尺寸和重量、和输出转矩之间的关系的物理参数。在稳定旋进 的特定情况下，陀螺仪俯仰移动，产生关于X轴的转矩。所有三个轴可被驱动-侧倾、俯仰 和偏航-以同时产生关于所有三个轴的转矩，从而形成三维完全可指明的力矢量。
[0053] 如上所述，CMG的惯性轮被包括在可在侧倾、俯仰和偏航上驱动组件的骨架中。如 图6E所示，在不采用关于车辆或CMG的状态信息的情况下，可以进行开环控制。通过在车 辆和CMG上都添加姿态传感器，全状态反馈控制是可以的。控制系统可以按流程图610中 所示运行：通过传感器确定车辆的状态和陀螺仪的状态（位置和方向），步骤612 ;传感器 信号被输入到车载计算机上实施的控制系统中，步骤614 ;和算法确定所有的CMG的角度、 速度或转矩，步骤616,使得满足稳定性标准，步骤619。
[0054] 本发明的实施方式还描述了用于利用一个或多个具有动态平衡的惯性轮的陀螺 仪的方法、装置和系统。所述惯性轮由两种介质组成一包括固体且成形的介质的第一介质 和包括粘性的（例如，流体）材料或松散的颗粒材料的第二介质，当惯性轮围绕其旋转轴旋 转时，该粘性的材料或松散的颗粒材料被分配遍及整个惯性轮。
[0055] 如下所述，在本发明的实施方式中，诸如图IA/图IB的惯性轮102/惯性轮152这 样的惯性轮可由两种介质组成一包括固体且成形的介质的第一介质，和包括流体材料或松 散的颗粒材料的第二介质，当惯性轮围绕其旋转轴旋转时，该流体材料或松散的颗粒材料 被分配遍及整个惯性轮。
[0056] 图7A至图7B示出根据本发明的一实施方式的用于陀螺仪稳定单元的惯性轮。在 该实施方式中，惯性轮700包括由固体材料（例如，碳纤维、凯夫拉尔、钢、黄铜、青铜、铅、贫 铀、和任何其他功能上相当的材料）制成的主体702。在所述主体内有稳定结构，该稳定结 构被示为至少部分地填有可分配材料710的环结构704。在该实施方式中，所示的材料710 包括多个由与主体702相似的材料制成的固体珠；在其他实施方式中，所述材料可包括可 分布在惯性轮700内的任何流体或松散颗粒介质。
[0057] 在该实施方式中，放置在惯性轮700内的材料710破坏、吸收、和/或抑制在惯性 轮运行期间的振动一包括由惯性轮中的非均匀性引起的那些振动。因此，在本发明的实施 方式中，惯性轮可以以比现有技术的缺陷度更大的缺陷度而被加工，并且如果缺陷在随后 的运行和使用期间形成，则惯性轮可继续运转。
[0058] 惯性轮700被示出包括用来容纳材料710的环结构704。正如在图7B中的惯性轮 700的横截面视图中所示，环结构704包括遍及惯性轮的一致结构。在其他实施方式中，惯 性轮可包括具有至少一个用来容纳流体或松散颗粒介质的内部腔室的套筒。此外，一些实 施方式还可利用平衡重量来促进惯性轮的均匀旋转。
[0059] 惯性轮700被示出还利用结构706和结构708来封闭环结构704。因此，环结构中 的材料可被增加、减少或改变。在其他实施方式中，惯性轮的稳定结构被密封，稳定结构内 的材料不能被增加、减少或改变。
[0060] 图8示出根据本发明的一实施方式的包括惯性轮的陀螺仪稳定单元。在该实施方 式中，陀螺仪稳定单元800被示出包括顶部802、惯性轮电动发电机804、惯性轮810、底部 806、和用于将陀螺仪稳定单元安装至车辆的安装机构808。
[0061] 惯性轮810被示出包括由固体且成形的材料制成的主体812、示为填有可分配材 料820的环结构814的稳定结构、和用来封闭所述环结构的部件816和部件818。如上所 述，惯性轮810的稳定结构破坏、吸收、和/或抑制在惯性轮运行期间的振动。此外，所述稳 定结构的使用允许惯性轮产生比现有技术解决方案更加精确的转矩量。
[0062] 因此，本发明的实施方式可包括两轮车，例如，图5的车辆500,其中，陀螺仪稳定 器530可包括容纳惯性轮532和惯性轮534的第一陀螺仪组件和第二陀螺仪组件，惯性轮 532和惯性轮534可分别与上文讨论的本发明的实施方式中之一一致一即，惯性轮由第一 固体且成形的介质构成，且包括含有第二可分配介质（例如，固体颗粒或粘性材料，如液体 材料）的稳定结构，当惯性轮绕着旋转轴旋转时，该第二可分配介质被分配遍及整个该结 构。
[0063] 通过利用惯性轮旋进以产生反转矩，来利用陀螺仪保持两轮车直立的基本概念众 所周知（虽然在本说明书中，参照陀螺仪稳定的两轮车，但是，陀螺仪稳定的原理也可以用 于任何车辆中，所述车辆具有狭窄的轮距，使得陀螺仪稳定用来稳定车辆或者使其悬置系 统增大对稳定性的提供）；但是，这种系统由于各种原因（包括陀螺仪稳定单元的惯性轮形 成精确的且可预测的转矩量所需的精确度）没有变得普遍。为了每个惯性轮432和惯性轮 434产生精确的转矩量，所述惯性轮可各自包括以下这样的稳定结构：该稳定结构包含可 分配介质，当惯性轮绕着旋转轴旋转时，该可分配介质被分配遍及整个环。在一些实施方式 中，稳定结构包括形成在惯性轮中的环形腔体。包括在稳定结构中的介质可包括固体材料 或粘性材料（例如，液体材料或其他的在获得平衡之后可不保持液体的材料）。
[0064] 控制这些效应的基本方程是已知的且由方程所描述。惯性轮盘的惯性力矩（I)由 I = l/4*m*r2给出，其中，m为盘的质量，r为半径。对于给定的车辆重量和重心（CG)，陀螺 仪稳定器惯性轮的尺寸可以使得，当停下来时，车辆的坚向稳定性可被无限期地控制。惯性 轮的半径、质量、几何结构和结构（包括上文所讨论的稳定结构的设计和实施）可被选择以 维持可安装在车架内的紧凑尺寸，且仍能够提供有效的惯性力矩I。
[0065] 使惯性轮旋转将引起惯性轮的可分配介质均匀地分布遍及整个惯性轮。使旋转的 惯性轮绕着垂直于惯性轮的旋转轴的轴旋进将产生同时正交于旋转轴和旋进轴的反转矩。 装有万向架的惯性轮组件的有效反转矩τ由公式τ =Ιβ*ωδ*ω#给出。惯性轮的转动 速度在可以用来稳定车辆的有效转矩τ的量中起着很大的作用。作为对于选择的惯性轮 质量和几何结构的控制方程中的多个仅可控的变量中的一个变量，惯性轮转动速度可被控 制，以补偿车辆的变化的静负载和负载分布，从而补偿陀螺仪稳定器的校正能力。
[0066] 用在车辆的控制中的另外的变量包括：
[0067] Θ _为以弧度测量的车辆左右摇摆的倾斜度
[0068] 为以米/秒所测量的当车辆沿着道路移动时车辆的速度
[0069] ω ^为以弧度/秒所测量的惯性轮的转动速度
[0070] 识*为以弧度所测量的惯性轮距坚向的倾斜度
[0071] ω #为以弧度/秒所测量的惯性轮的倾斜的转动速度 [0072] Θ转向为以弧度所测量的转向输入
[0073] 利用输入Θ车辆、V车辆、ω惯性论、ω轴、识和Θ转向，通过改变输出正交于识的转矩 的ω轴可控制Θ车辆，以便阻碍或增大对Θ车辆的变化。当接近90°或f弧度时，陀螺 仪的改变Θ 的有效性降低，因为转矩输出正交于通过利用包括主要的和次要的回 路控制或状态空间的现代控制系统，可完成通过启动来控制和Θ 。因此，对两 个输出识#和Θ 可做出解释，同时首先要确保Θ 是稳定的。
[0074] 惯性轮稳定结构几何结构和材料（以及进一步确定陀螺仪系统的校正能力的旋 进发动机规模）可取决于多个变量，诸如：在预期负载条件下的车辆重量和重心、最大车 速、最大转弯速率、和预期的环境条件（例如，侧风、道路倾斜度的变化等）。在一个实施方 式中，出于包装和效率目的，陀螺仪组件的物理尺寸和质量可尽可能小。本发明的实施方式 还可被大幅窄于传统小汽车或卡车因此遵守摩托车法规的两轮车所利用。惯性轮结构一 艮P，惯性轮的固体部分、惯性轮的稳定结构、和稳定介质（即，上文所讨论的可分配介质）被 选择成使得，当在所期望的速度范围内旋转时，单个惯性轮可能够校正整车及其包含物的 不稳定状态，持续延长的时间段。惯性轮材料的选择主要受制于材料密度（S )、材料强度、 能量存储能力和总重量之间的权衡。通过公式：

【权利要求】
1. 一种系统，包括： 控制力矩陀螺仪（CMG)装置，所述控制力矩陀螺仪（CMG)装置包括： 惯性轮； 驱动所述惯性轮的惯性轮驱动发动机； 容纳所述惯性轮和所述惯性轮驱动发动机的外罩，所述外罩具有三个自由度；和 一个或多个用于独立地在所述自由度中驱动所述外罩的发动机；以及 控制所述控制力矩陀螺仪装置的姿态的控制器。
2. 根据权利要求1所述的系统，还包括： 用以确定所述系统的位置和速度的位置传感器和速度传感器；其中，所述控制器用来 执行所述控制力矩陀螺仪装置的多个状态的直接闭环控制，所述控制力矩陀螺仪装置的多 个状态包括惯性轮的位置、速度和加速度、外罩姿态、和与所述控制力矩陀螺仪装置相关的 相对于车体的尺寸。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制力矩陀螺仪装置被包括在两轮或更多 轮的车辆中，并且，控制所述控制力矩陀螺仪的姿态包括下列中的一种或多种： 车体的侧倾、俯仰和偏航的直接控制； 稳定性控制和外部干扰抑制，包括风和由外部对象施加于所述车体上的任何力； 碰撞场景下的稳定； 准稳定的情况下的姿态控制，在所述准稳定的情况中，一个车轮与地面接触不佳或不 与地面接触；和 当车架完全离地时的姿态控制。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器用来执行所述惯性轮驱动发动机的 开环控制。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制力矩陀螺仪装置包括多个惯性轮，并且 所述控制器还用来执行下列中的一种或多种： 所述多个惯性轮的旋转的独立控制； 惯性轮旋转方向控制，使得由旋转产生的力矩被消除； 主-从控制，使得一个或多个从动装置反映主动装置的动作； 对共同参照的惯性轮位置、速度、或转矩的闭环控制；或者 对每个惯性轮的独特参照的惯性轮位置、速度、或转矩的闭环控制。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还用来执行下列中的一种： 所有惯性轮的合输出力矢量的直接闭环控制； 通过力矢量化，在一个或多个车轮上的法向力的直接闭环控制。
7. -种永久性计算机可读存储介质，所述永久性计算机可读存储介质包含指令，所述 指令当被处理器执行时，使所述处理器执行包括下列步骤的方法： 确定联接至车架的一个或多个陀螺仪为稳定所述车架而要施加的控制力矩值，所述一 个或多个陀螺仪中的每一个陀螺仪包括惯性轮；和 增大用于所述一个或多个陀螺仪的惯性轮进行旋进的输入轴的数目，以产生所确定的 控制力矩值。
8. 根据权利要求7所述的永久性计算机可读存储介质，其中，所述一个或多个陀螺仪 还联接至转盘，增大用于所述惯性轮的输入轴的数目包括旋转所述转盘。
9. 根据权利要求7所述的永久性计算机可读存储介质，其中，所述一个或多个陀螺仪 包括两个或更多个直排联接至所述车架的陀螺仪。
10. 根据权利要求9所述的永久性计算机可读存储介质，其中，所述陀螺仪相对于前轮 和后轮纵向地对齐。
11. 根据权利要求10所述的永久性计算机可读存储介质，其中，所述陀螺仪的所述惯 性轮相对于彼此在相反的方向上旋转和旋进。
12. 根据权利要求9所述的永久性计算机可读存储介质，其中，所述陀螺仪相对于所述 车架横向地和/或相对于所述车架在高度方向上对齐。
13. -种陀螺仪装置，包括： 包括一个或多个万向架和旋转轴的惯性轮外罩；和 包括第一介质且被包括在所述外罩中的惯性轮，所述惯性轮用以绕着所述旋转轴旋转 且通过所述一个或多个万向架而被旋进，所述第一介质包括固体且成形的介质，所述惯性 轮包括： 包括可分配的第二介质的稳定结构，当所述惯性轮绕着其旋转轴旋转时，所述可分配 的第二介质被分配遍及整个所述稳定结构，所述第二介质包括流体或松散颗粒的介质。
14. 根据权利要求13所述的陀螺仪装置，其中，所述惯性轮的所述稳定结构包括形成 在所述惯性轮中的环形腔。
15. 根据权利要求13所述的陀螺仪装置，其中，所述惯性轮的所述稳定结构包括形成 在所述惯性轮的一部分中的腔，所述第二介质被包含在放置在所述腔中的套筒中。
16. 根据权利要求13所述的陀螺仪，其中，所述惯性轮的所述第二介质包括总量的松 散颗粒的材料。
17. 根据权利要求13所述的陀螺仪，其中，所述惯性轮的所述第二介质包括粘性材料。
18. 根据权利要求13所述的陀螺仪，其中，所述惯性轮的所述第一介质包括碳纤维、凯 夫拉尔、钢、黄铜、青铜、铅、或贫铀中的至少一种。
19. 根据权利要求13所述的陀螺仪，其中，所述惯性轮的所述稳定结构包括可拆卸的 顶部以允许添加、减少或改变所述可分配的第二介质。
20. 根据权利要求13所述的陀螺仪，其中，所述惯性轮的所述稳定结构包括封闭在所 述惯性轮中的密封结构。
【文档编号】B62D37/06GK104246431SQ201380021809
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2012年2月27日
【发明者】丹尼尔·基勇·金, 布兰登·巴索 申请人:Lit汽车公司