ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к транспортному средству для осуществления поступательного перемещения людей или грузов, а более конкретно к двухколесному транспортному средству с гироскопической стабилизацией и способам управления таким транспортным средством, которые позволяют обеспечить его устойчивость и движение в необходимом направлении.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для облегчения перемещения пешеходы часто используют различные одноосные двухколесные транспортные средства. Однако известные транспортные средства подобного типа обладают различными недостатками, такими как большие габаритные размеры и недостаточная устойчивость, при этом управление такими транспортными средствами требует от пользователя определенных навыков, в частности умения сохранять равновесие, а также непременно вынуждает пользователя использовать руки для управления таким транспортным средством и удержания его равновесия.

В настоящее время существуют различные виды человеческой деятельности, в которых требуется компактное и устойчивое транспортное средство для обеспечения возможности длительного нахождения человека на ногах для преодоления больших расстояний (например, официант, продавец, покупатель, работник музея, офиса, аэропорта, склада и т.д.), когда желательно чтобы руки были свободны для выполнения сопутствующих работ. Кроме того существует широкая группа лиц с ослабленной функцией ног, которые остро нуждаются в легкоуправляемом транспортном средстве для перемещения, при котором не требуется владение специальными навыками. Наконец, существует необходимость оснащения роботов шасси в виде колесного транспортного средства, которое способно сохранять устойчивость вне зависимости от воздействий окружающей среды и которое обладает малыми габаритными размерами.

Известны различные двухколесные транспортные средства для перемещения людей и грузов и способы управления такими транспортными средствами.

Из патента US7717200 известно транспортное средство, которое включает площадки для размещения ног пользователя, ручку для удержания пользователем и подвеску, которая соединяет колеса с корпусом и которая размещена непосредственно под указанными площадками. Подвеска выполнена в виде параллелограмного механизма и имеет пружинные элементы, что позволяет перемещать указанные площадки вертикально друг относительно друга, при этом пружинные элементы прикладывают кренящее усилие к корпусу транспортного средства. Устойчивость такого транспортного средства обеспечивается за счет переноса веса тела пассажира и удержания ручки руками, а также за счет использования широкой колесной базы. Указанное транспортное средство требует от пользователя специальных навыков для обеспечения устойчивости и не позволяет освободить руки пользователя во время перемещения.

Из патента US7370713 известно одноосное двухколесное транспортное средство. Поперечная устойчивость такого транспортного средства обеспечивается за счет широкой колесной базы, а управление по курсу обеспечивается посредством поворота рукоятки управления. Данное транспортное средство имеет большие габаритные размеры, при этом требуется постоянное взаимодействие рук пользователя с рукояткой управления, что не позволяет освободить их для выполнения другой работы.

Из патента RU2333862, который является наиболее близким аналогом к настоящему изобретению, известно транспортное средство со стабилизацией кузова посредством перемещающейся массы и гироскопов, которое имеет два колеса, расположенные на одной оси. Для стабилизации кузова указанного транспортного средства используются два двухстепенных гироскопа с осями роторов, расположенными в вертикальной плоскости. Стабилизация кузова осуществляется первоначально за счет гироскопического момента, а в дальнейшем за счет моментных приводов, при этом стабилизация по углу тангажа осуществляется за счет маховика, ось вращения которого параллельна оси колес. Однако использование маховика и двух двухстепенных гироскопов существенно усложняет конструкцию такого транспортного средства.

Таким образом, существует потребность в создании двухколесного транспортного средства для осуществления поступательного перемещения, которое обладает простой конструкцией, высокой устойчивостью и управляемостью, а также имеет небольшие габариты и позволяет осуществлять управление его перемещением и пространственной ориентацией простым и удобным способом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание двухколесного транспортного средства для поступательного перемещения, которое не имеет недостатков, присущих известным транспортным средствам подобного типа, обладает небольшими габаритными размерами, которые позволяют использовать его внутри помещения, и при этом имеет высокую устойчивость по крену.

Указанная задача решается предлагаемым в настоящей заявке двухколесным гиростабилизированным транспортным средством, содержащим корпус, два колеса, опорное устройство, которое соединяет корпус и указанные колеса с обеспечением опоры корпуса на колеса, два привода, каждый из которых соединен с соответствующим колесом с возможностью приведения его во вращение, гироскоп, который содержит ротор гироскопа и рамку гироскопа, причем ротор гироскопа установлен в рамке гироскопа с возможностью вращения, а рамка гироскопа соединена с корпусом с возможностью поворота относительно него. Транспортное средство также содержит датчик утла поворота, размещенный на корпусе с возможностью определения поворота рамки гироскопа относительно корпуса, и управляющую систему, выполненную с возможностью приема сигнала от указанного датчика угла поворота и с возможностью управления скоростью вращения колес на основании указанного сигнала. Предлагаемое транспортное средство отличается тем, что указанная опорная конструкция обеспечивает возможность перемещения колес относительно друг друга и относительно корпуса независимо от него, а указанная управляющая система дополнительно выполнена с возможностью приложения крутящего момента к рамке гироскопа.

Технический результат, который достигается настоящим изобретением, заключается в снижении габаритных размеров транспортного средства, которые позволяют использовать его в ограниченном пространстве, повышении статической и динамической устойчивости по крену за счет того, что поворот рамки гироскопа приводит к повороту корпуса управляющей системой, что позволяет указанному гироскопу осуществлять стабилизирующее действие длительный период времени. Повышение статической и динамической устойчивости также обеспечено возможностью перемещения колес относительно друг друга и относительно корпуса независимо от него, , поскольку таким образом обеспечивается возможность сохранения опоры колес на поверхность при любом изменении ее рельефа, а также возможность указанного поворота корпуса, и исключаются дополнительные воздействия на корпус, которые могут привести к приложению к корпусу нежелательного кренящего момента, нежелательному изменению положения рамки и следовательно нежелательному повороту корпуса.

В настоящей заявке также предложено транспортное средство для перемещения пассажира, которое содержит площадки для размещения ног пользователя. Такое транспортное средство имеет малые габаритные размеры в поперечном направлении, которые позволяют размещать его между ног пользователя, при этом устройство имеет высокую статическую и динамическую устойчивость и обеспечивает возможность простого управления движением транспортного средства без использования рук путем переноса веса пассажира в поперечной плоскости. Указанные площадки могут быть оснащены дополнительными средствами управления, которые позволяют быстро изменять направление движения транспортного средства. Кроме того, такое транспортное средство может иметь сиденье для размещения пассажира и опорную стойку, соединенную с корпусом транспортного средства, что повышает удобство размещения пассажира на транспортном средстве.

В настоящей заявке также предложено грузовое транспортное средство для перемещения груза, которое содержит площадку для размещения груза и может быть использовано, например, в качестве шасси робота. Такое транспортное средство имеет малые габаритные размеры в поперечном направлении и высокую статическую и динамическую устойчивость, что позволяет использовать его в ограниченном пространстве, и обеспечивает возможность безопасного перемещения установленного на таком транспортном средстве груза. Указанная площадка для перемещения груза может содержать средства крепления груза, подобранные с учетом его конфигурации и массы.

Высокая устойчивость транспортного средства по крену обеспечивается путем реализации способа управления, который является объектом настоящего изобретения и согласно которому измеряют величину угла поворота рамки гироскопа относительно корпуса транспортного средства при приложении возмущающего усилия и изменяют разность скоростей вращения колес в соответствии с указанным углом поворота рамки гироскопа.

Технический результат, достигаемый настоящим способом, заключается в обеспечении возможности сохранения устойчивости транспортного средства по крену при воздействии возмущающего усилия без необходимости использования дополнительных средств поддержания устойчивости. Осуществление постоянного мониторинга положения рамки гироскопа относительно корпуса посредством датчика угла поворота позволяет своевременно вырабатывать сигнал, который принимается управляющей системой, соединенной с приводами колес с возможностью изменять скорость их вращения и поворачивать корпус транспортного таким образом, чтобы сохранить стабилизирующее действие гироскопа.

Возможность задания курса перемещения транспортного средства обеспечивается путем реализации способа управления, который также является объектом настоящего изобретения и согласно которому к корпусу транспортного средства прикладывают управляющее кренящее усилие, измеряют величину угла поворота рамки относительно корпуса транспортного средства, после чего изменяют разность скоростей вращения колес в соответствии с вышеуказанным углом поворота рамки гироскопа с целью обеспечить движение транспортного средства в заданном направлении.

Использование такого способа обеспечивает возможность эффективного и простого задания направления движения транспортного средства.

Измерение угла поворота рамки гироскопа относительно корпуса транспортного средства осуществляют путем измерения угла отклонения рамки гироскопа и связанной с ним оси вращения ротора гироскопа от положения, в котором угол между осью вращения ротора и указанной второй вертикальной плоскостью транспортного средства составляет девяносто градусов, а указанное управляющее кренящее усилие прилагают, например, путем поперечного перемещения нагрузки относительно центра масс транспортного средства (в случае использования транспортного средства для перемещения груза), либо путем наклона корпуса транспортного средства , либо путем переноса веса пассажира (в случае использования транспортного средства для перемещения пассажира).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже приводится описание предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 показывает расположение рабочих плоскостей, точек, осей и углов транспортного средства согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;

фиг. 3 показывает вид сзади и сбоку транспортного средства, показанного на фиг. 2, на котором для наглядности не показано левое колесо;

фиг. 4 показывает местный вид, иллюстрирующий опорную конструкцию согласно одному из вариантов ее реализации в положении, когда транспортное средство движется прямолинейно и равномерно;

фиг. 5 показывает местный вид, иллюстрирующий положение опорной конструкции, показанной на фиг. 4, при наезде транспортного средства на препятствие;

фиг. 6 схематично иллюстрирует работу опорной конструкции при наезде транспортного средства на препятствие; фиг. 7 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения;

фиг. 8 показывает вид сзади и сбоку транспортного средства, показанного на фиг. 7, на котором для наглядности не показано левое колесо;

фиг. 9 иллюстрирует работу опорной конструкции при наезде транспортного средства на препятствие;

фиг. 10 схематично иллюстрирует действия сил и моментов при реализации заявляемого в настоящем изобретении способа управления по крену;

фиг. 1 1 схематично иллюстрирует управляющую систему заявляемого транспортного средства;

фиг. 12 схематично иллюстрирует действия сил и моментов при реализации заявляемого в настоящем изобретении способа управления по курсу путем наклона корпуса транспортного средства;

фиг. 13 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства для перемещения пассажира согласно одному из вариантов реализации;

фиг. 14 иллюстрирует неподвижное крепление опорных площадок транспортного средства, показанного на фиг. 13, к осям колес;

фиг. 15 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства для перемещения пассажира согласно другому варианту реализации;

фиг. 16 иллюстрирует подвижное крепление опорных площадок транспортного средства, показанного на фиг. 15, к его корпусу;

фиг. 17 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства для перемещения пассажира согласно другому варианту реализации;

фиг. 18 показывает вид спереди и сбоку транспортного средства для перемещения груза;

фиг. 19 показывает вид сзади транспортного средства, показанного на фиг. 18, без площадки для размещения груза;

фиг. 20 схематично показывает управляющую систему для управления грузовым транспортным средством, показанным на фиг. 19.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Перед описанием конструкции предпочтительных вариантов реализации определим некоторые геометрические понятия, которые позволят облегчить понимание конструктивных особенности заявляемого изобретения и на которые в дальнейшем будет сделана ссылка.

Одинаковые конструктивные элементы транспортного средства будут обозначены одинаковыми ссылочными номерами.

На фиг. 1 показано расположение рабочих плоскостей, точек, осей и углов транспортного средства согласно настоящему изобретению в положении, которое транспортное средство занимает при равномерном прямолинейном движении. Оси вращения АВ и CD колес транспортного средства расположены в первой вертикальной (поперечной или боковой) плоскости (y-z), перпендикулярно которой через центр масс G транспортного средства проходит вторая вертикальная (продольная) плоскость (x-z). Третья плоскость, перпендикулярная указанным вертикальным плоскостям, представляет собой горизонтальную плоскость опоры (х-у), по которой движется транспортное средство. Окружности W„ Wi упрощенно иллюстрируют колеса, а точки R и L соответственно являются точками касания правого и левого колеса горизонтальной плоскости опоры (х-у). Ось <Β _ψ представляет собой ось курса транспортного средства, ось ω _γ представляет собой ось крена транспортного средства, ось о)е представляет собой ось тангажа транспортного средства, а углы ψ, γ и Θ соответственно представляют собой угол курса, угол крена и угол тангажа. Угол γ _Γ представляет собой угол наклона оси правого колеса в первой вертикальной плоскости (y-z), а угол γι представляет собой угол наклона оси левого колеса в указанной плоскости. Для наглядности указанные оси колес показаны со значительным отклонением от параллельности с горизонтальной плоскостью опоры (х- у). Термин «правый» и «левый» определяется относительно направления движения транспортного средства, которое совпадает с направлением оси крена ω _γ транспортного средства. Ось поворота рамки гироскопа обозначена как EF и может поворачиваться во второй вертикальной плоскости (x-z) на угол 6 _f вокруг оси тангажа ωο, причем указанный угол заключен в диапазоне от -30 до +30 градусов, а нулевое положение угла поворота оси EF обеспечено при ее совпадении с прямой, лежащей на пересечении указанных продольной (x-z) и поперечной (y-z) плоскостей. Центр масс G транспортного средства расположен на высоте Н от точки О пересечения осей ω _ψ , ω _ν и сое, при этом корпус транспортного средства упрощенно показан в виде отрезка GO и расположен вертикально. Расстояние между точками опоры колес (колесная база) обозначена как b. V, V _r и Vj обозначают соответственно линейную скорость движения центра масс G, линейную скорость движения правого колеса и линейную скорость движения левого колеса. На фиг. 2-3 показано транспортное средство, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.

Указанное транспортное средство содержит корпус 1 транспортного средства, который на чертежах показан упрощенно в виде рамной конструкции и с которым соединено опорное устройство. Корпус 1 имеет левый 2 палец и правый 3 палец. На пальцах 2, 3 с возможностью поворота относительно них установлены левый рычаг 4 опорного устройства и правый рычаг 5 опорного устройства. Указанная возможность поворота обеспечена за счет того, что рычаги 4, 5 установлены на пальцах 2, 3 в подшипниках качения. Подвижность рычагов 4, 5 при вращении вокруг пальцев 2, 3 в вертикальной плоскости ограничена упорами (не показаны). На противоположных концах рычагов 4, 5 имеются оси 6, 7 колес, на которых с возможностью вращения установлены левое колесо 8 и правое колесо 9 транспортного средства (ось 7 расположена симметрично оси 6 и показана на фиг. 5). Колеса имеют обод и пневматические шины или шины из эластичного материала. На указанных осях также закреплены левый 10 и правый 11 электроприводы для приведения во вращение колес 8, 9 транспортного средства. Каждый электропривод 10, 11 содержит двигатель, редуктор и усилитель мощности.

Транспортное средство также содержит двухстепенной гироскоп, имеющий массивный ротор 12 и рамку 13, в которой ротор 12 установлен с возможностью вращения. Рамка 13 соединена с корпусом 1 посредством подшипниковых опор 14 и 15, которые содержат подшипники, установленные в корпусе 1. Таким образом обеспечена возможность поворота рамки 13 относительно корпуса 1. Угол поворота рамки 13 ограничивается упорами 16 и 17. Ротор 12 установлен в рамке 13 в подшипниках и приводится во вращение с большой скоростью отдельным электродвигателем 18. Ось 19 вращения ротора располагается горизонтально, по существу параллельно осям колес 8, 9 и перпендикулярно направлению движения. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения колес.

Транспортное средство также содержит моментный привод 20, который установлен на корпусе 1 с возможностью прикладывать крутящий момент к рамке 13. В качестве моментного привода 20 может использоваться, например, моментный электропривод, включающий электродвигатель с редуктором и усилителем мощности, преобразующим сигнал управления в ток электродвигателя. Крутящий момент от моментного привода 20 передается через секторную шестерню 21 на рамку 13, которая поворачивается в подшипниковых опорах 14 и 15 вокруг вертикальной оси. На корпусе 1 установлено опорное коромысло 23. Указанное коромысло 23 установлено на корпусе 1 с возможностью поворота относительно оси 24 коромысла и имеет правый и левый концы, выполненные в виде шаровых головок.

На рамке 13 установлен датчик 25 угла поворота рамки относительно корпуса 1 в подшипниковых опорах 14 и 15 вокруг вертикальной оси. Нулевому положению датчика 25 соответствует такое относительное положение ротора 12, при котором угол между осью вращения ротора и осью крена равен девяноста градусам. Угол рассогласования указанных осей изменяется от нуля до угла, соответствующего положению рамки 13 при ее повороте до упоров 16, 17, при этом датчик 25 выполнен с возможностью подачи сигнала, пропорционального указанному углу рассогласования.

На рамке 13 гироскопа также установлен гироскопический датчик 26 угловой скорости, измеряющий угловую скорость прецессии ротора 12 гироскопа, который выполнен с возможностью подавать сигнал, пропорциональный скорости прецессии ротора 12.

Транспортное средство также содержит управляющую систему 28, которая заключена в корпус системы управления, в котором размещен бортовой компьютер системы, гироскопические датчики угловой скорости поворота корпуса 1 по тангажу и по крену, а также передающее устройство, например беспроводное радиоустройство, для приема задающих сигналов управления и дистанционной передачи информационного сигнала внешнему пользователю. Система управления содержит бортовой компьютер с микроконтроллером, имеющим достаточную производительность и необходимые периферийные устройства (например микропроцессоры серии STM32F3), который размещен в корпусе управляющей системы и который выполнен с возможностью приема данных от указанных гироскопических датчиков, а также датчиков 25, 26, их обработки и передачи соответствующих управляющих сигналов на усилители мощности электроприводов 10, 11, которые преобразуют управляющие сигналы от системы 13 в ток указанных электроприводов и изменяют скорость вращения колес 8, 9.

В качестве автономного источника питания для электроприводов транспортного средства, а также для управляющей системы используется аккумулятор 30 и/или электрогенератор (не показан).

На фиг. 4-5 показан местный вид, иллюстрирующий крепление коромысла 23 на корпусе 1 и изменение положения указанного коромысла 23 при наезде транспортного средства на препятствие. Коромысло 23 установлено на оси 24 коромысла с использованием подшипника, что обеспечивает возможность его поворота относительно указанной оси 24. Шаровые головки 31, 32 коромысла 23 располагаются в фигурных пазах 34, 35 в левом 4 и правом 5 рычагах опорного устройства на одинаковом расстоянии от центра коромысла 23, с образованием шаровых шарниров. Таким образом, обеспечивается распределение веса транспортного средства поровну между колесами 8, 9.

На фиг. 6 схематично проиллюстрирована работа опорного устройства при движении транспортного средства по неровной поверхности. В процессе движения по неровной поверхности рычаги 4, 5 поворачиваются вокруг пальцев 2, 3 на равные углы в противоположных направлениях, при этом коромысло 23 также поворачивается, и шаровые головки 31, 32 скользят по поверхностям фигурных пазов 34, 35, передавая вес транспортного средства на колеса 8, 9. При наезде на препятствие одним колесом 8 или 9, корпус 1 перемещается в вертикальном направлении на половину высоты препятствия, при этом со стороны опорной конструкции на корпус 1 не передается возмущающий момент по оси крена, а оси колес остаются по существу в одной вертикальной плоскости.

На фиг. 7-8 показано транспортное средство согласно еще одному предпочтительному варианту реализации, которое имеет другую конструкцию опорного устройства. Согласно данному варианту реализации опорная конструкция имеет два стержня 40 и 41, которые присоединены к корпусу 1. На стержнях 40, 41 с возможностью поворота вокруг этих стержней установлено левое 42 поворотное звено и правое 43 поворотное звено. На поворотных звеньях 42, 43 неподвижно установлены цилиндрические втулки 45, 46. В цилиндрических втулках 45, 46 с возможностью продольного перемещения относительно них установлены цилиндрические стойки 47, 48. На нижних концах каждой стойки 47, 48 прикреплена вилка 49, 50 привода, которая имеет отверстие для размещения электропривода 10, 11. На верхнем конце каждой стойки 47, 48 размещены шарнирные головки 52, 53, которые имеют отверстия в которых на подшипниках устанавливаются оси 55, 56 стоек 47, 48. В отверстиях вилок 49, 50 на осях 6, 7 крепятся электроприводы 10, 11. Опорная конструкция также содержит равноплечее силовое коромысло 57, которое установлено на корпусе 1 посредством оси 58 коромысла с возможностью поворота вокруг этой оси. В некоторых случаях ось 58 может выполняться из двух цилиндрических элементов, установленных в корпусе 1 соосно. Коромысло 57 имеет на своих концах отверстия, в которых с возможностью поворота установлены оси 55, 56 стоек 47, 48. Транспортное средство, показанное на фиг. 7-8, также содержит двухстепенной гироскоп, в котором ротор имеет ось вращения, расположенную горизонтально и перпендикулярно направлению движения, и привод ротора, причем указанные ротор и указанный привод расположены в корпусе 60, который выполняет функцию рамки гироскопа.

На фиг. 9 проиллюстрирована работа опорного устройства при наезде транспортного средства на препятствие. Опорное устройство работает следующим образом. На ровной поверхности вес транспортного средства с грузом, расположенным на корпусе 1 передается на поверхность через ось 58 на коромысло 57. Коромысло 57, через оси 55, 56 стоек передает вес транспортного средства поровну на головки 52, 53, стойки 47, 48, вилки 49, 50, приводы 10, 11, оси 6, 7 колес и колеса 8, 9. Кроме того, коромысло 57 передает вес через оси 55, 56 стоек и удерживает стойки 47, 48 от поворота вокруг вертикальной оси, фиксируя таким образом взаимное положение осей вращения колес в одной плоскости. Продольное и поперечное положение колес фиксируется цилиндрическими втулками 45,46, стойками 47, 48 и поворотными звеньями 42, 43.

При наезде правым колесом 9 на препятствие, правое колесо 9 вместе со стойкой 47 поднимается относительно корпуса 1, двигаясь поступательно вверх в цилиндрической втулке 45, при этом коромысло 57 поворачивается вокруг оси 58 коромысла. При повороте коромысла 57 ось стойки 56 смещается в боковом направлении. Это смещение поворачивает на небольшой угол в поперечной плоскости поворотное звено 43 вокруг стержня 41. Вместе с поворотным звеном 43 так же на небольшой угол поворачиваются в поперечной плоскости стойка 47, вилка 50 и правое колесо 9. Левое колесо 8 при этом опускается относительно корпуса 1, двигаясь поступательно вниз в цилиндрической втулке 46. Поворот коромысла 57 вызывает, так же как это было описано поворот поворотного звена 42, стойки 48, вилки 49 и колеса 8 вокруг стержня 40 на небольшой угол, практически равный углу поворота другого поворотного звена. При этом корпус 1 транспортного средства поднимается на величину, равную половине высоты препятствия. Возмущающий крутящий . момент от препятствия на корпус и на ротор гироскопа не передается, а оси вращения колес остаются в одной вертикальной плоскости.

Стабилизация по крену транспортного средства, имеющего опорное устройство с нулевым моментом сопротивления вращению по крену при малых скоростях движения, осуществляется только гироскопическим моментом. При действии возмущающего момента по крену на корпус транспортного средства и соответственно на ротор 12 гироскопа, закрепленный в рамке 13 гироскопа на корпусе 1, ротор 12 свободно прецессирует, поворачиваясь вместе с рамкой 13 вокруг ее оси. При этом гироскопический момент в точности равен возмущающему моменту и какое-либо вращение вокруг оси крена не происходит. Корпус 1 транспортного средства остается в начальном положении. Если возмущающее воздействие имеет достаточную продолжительность, рамка 13 гироскопа поворачивается до упоров 16, 17 рамки, препятствующих свободной прецессии ротора 12. При этом, в общем случае корпус 1 транспортного средства будет под действием гироскопических моментов осуществлять сложное движение вращаясь одновременно вокруг оси крена и вокруг оси курса. Соотношение скоростей вращения будет определяться в основном соотношением моментов инерции и сил трения по соответствующим осям. При этом возникает отличная от ноля скорость наклона корпуса 1 по углу крена, и в результате, так как пассивная стабилизация по крену по существу отсутствует (вследствие малого размера колесной базы), даже при действии небольшого по величине момента транспортное средство может опрокинуться. Таким образом, без принятия специальных мер транспортное средство с гироскопом и опорной конструкцией с нулевым моментом сопротивления вращению по крену обладает только кратковременной стабильностью. Для того чтобы гироскоп обеспечивал постоянную стабильность необходимо обеспечить возможность свободной прецессии ротора гироскопа на все время действия возмущающего момента.

В настоящем изобретении постоянное стабилизирующее действие гироскопа обеспечивается использованием специального способа управления транспортного средства. На фиг. 10 на виде сверху приводится схема сил и моментов, действующих на транспортное средство в процессе осуществления данного способа.

Для управления движением транспортного средства с целью сохранения стабилизирующего действия гироскопа (с целью обеспечения возможности свободной прецессии ротора) корпус 1 вместе с колесами WI и Wr вращается вокруг вертикальной оси с мгновенной скоростью ω _ψ вслед за ротором 12 гироскопа, прецессирующим под действием возмущающего момента по крену Μγ (показана ось момента) со скоростью ω _ρ прецессии ротора, поддерживая, таким образом, угол между осью у _г вращения ротора и осью х крена равным девяноста градусам.

Такое вращение осуществляется с помощью управляющей системы 28, которая включает датчик 25 угла поворота рамки 13 гироскопа относительно корпуса 1. Среднее положение датчика 25 относительно корпуса 1 настраивается таким образом, чтобы нулевой сигнал на его выходе соответствовал такому положению рамки 13, при котором ось у _г ротора гироскопа была параллельна первой вертикальной плоскости (y-z) и перпендикулярна оси крена х. Таким образом, датчик 25 угла будет вырабатывать сигнал пропорциональный углу фг отклонения оси у _г ротора от положения, в котором ось у _г ротора перпендикулярна оси Μγ возмущающего момента.

На фиг. 11 проиллюстрирована работа управляющей системы 28 при реализации указанного способа. При появлении сигнала от датчика 25 угла, пропорционального величине угла ψί отклонения, управляющей системой 28 вырабатываются два управляющих сигнала, поступающих на преобразователи мощности электроприводов 10, 11, которые изменяют разность скоростей вращения колес 8, 9 таким образом, что скорость вращения одного колеса увеличивается, а другого уменьшается на равную величину (либо колеса вращаются в противоположном направлении, если продольная скорость равна нулю). Такая разница в скоростях вращения приводит к разнице скоростей VI и Vr движения колес и вращению корпуса 1 и осей колес вокруг вертикальной оси. Величина угловой скорости ωψ вращения корпуса 1 при этом пропорциональна разности скоростей движения VI и Vr колес и расстоянию между колесами Ь. Управление этой скоростью осуществляется по закону ПИД-регулятора с целью поддержания разницы между угловой скоростью сор прецессии ротора 12 и угловой скоростью ωψ вращения корпуса 1, а также величины угла ψ _ί отклонения равными нулю. Таким образом, в результате работы управляющей системы 28 ось ротора 27 отклоняется от необходимого положения лишь на небольшую величину, определяемую динамическими переходными процессам в управляющей системе и, следовательно, обеспечивается условие для длительной гироскопической стабилизации транспортного средства.

Возмущающий момент может быть двух видов - внутренний и внешний. Отличие заключается в том, что направление действия внешнего момента не изменяется при повороте транспортного средства, а направление действия внутреннего момента вращается вместе с корпусом транспортного средства. Например, внешний момент может создать сила воздействия ветра дующего в начальный момент времени в боковом направлении. Под воздействием этого момента корпус будет поворачиваться таким образом, что поперечное воздействие возмущающей силы будет уменьшаться а продольное будет нарастать, до той поры, пока корпус не повернется на девяносто градусов, и поперечное воздействие не станет равно нулю. При этом внешнее возмущающее воздействие будет компенсироваться управляющей системой 28 по углу тангажа путем наклона корпуса 1 и создания усилия, равного по величине и противоположного внешнему усилию. Под воздействием внутреннего момента транспортное средство будет поворачиваться с постоянной угловой скоростью, пропорциональной величине момента и текущей скорости.

Кренящий момент в результате действия управляющей системы вызывает поворот корпуса 1 и связанных с ним колес 8, 9 вокруг вертикальной оси. Направление движения транспортного средства перпендикулярно линии, соединяющей точки касания колес с поверхностью. Вместе с поворотом колес поворачивается и вектор скорости транспортного средства. Таким образом, создавая заданный управляющий момент по крену возможно управлять курсом движения транспортного средства.

Для управления транспортным средством по курсу используется управляющий момент, который создается за счет бокового усилия, возникающего при смещении центра масс в поперечном направлении. При смещении в боковом направлении массы величиной mi на расстояние 1 от продольной плоскости на транспортное средство действует кренящий управляющий момент Мс :

Мс = ml g x l

где g - ускорение свободного падения

Так как опорное устройство не создает момента по крену, управляющий момент через рамку 13 гироскопа передается на ротор 12 гироскопа и заставляет его прецессировать вокруг вертикальной оси, поворачивая при этом рамку 13 гироскопа. Корпус 1 и колеса 8, 9 с помощью управляющей системы 28 поворачиваются вслед за рамкой 13 гироскопа, и направление движения транспортного средства изменяется. При этом транспортное средство при нулевой скорости движения поворачивается на месте, а при наличии скорости отличной от ноля движется по некоторому радиусу. При движении по радиусу R со скоростью V на транспортное средство в поперечной плоскости будет действовать центробежная сила F _cf , приложенная в центре масс:

V ²

Fcf = т х—

' R

где m - суммарная масса транспортного средства.

Эта сила будет создавать центробежный момент Mcf :

Mcf = Fcf >: Н

Если направление вращения ротора 12 гироскопа Ω совпадает с направлением вращения колес 8, 9 вокруг их осей, центробежный момент Mcf будет иметь знак, противоположный знаку управляющего момента Мс и суммарный момент Mg, действующий на ротор 12 гироскопа, будет меньше управляющего: Mg = с - Mcf

При таком выборе направления вращения ротора 12 управляющая система 28 посредством отрицательной обратной связи не позволяет делать резкие повороты на больших скоростях. Направление скорости движения транспортного средства при таком соотношении направлений вращения ротора 12 и колес 8, 9 является основным направлением, которое определяется как движение вперед.

Движение в обратном направлении или движение задним ходом возможно только при малых скоростях, при которых возникающий момент центробежной силы мал по сравнению с управляющим моментом. При больших скоростях движение задним ходом может привести к потере устойчивости из за возникающей положительной обратной связи.

Зная продольную скорость V можно определить величину установившейся скорости вращения транспортного средства по курсу ω _ψ , совпадающую со скоростью прецессии ротора гироскопа о р, под действием управляющего момента Мс:

Мд = Мс - Mcf

Oix х к = Мс - т X V κ ωψ κ н

Мс

(ύψ = ( ρ =

К X (1 + т X Н X V/K

где К -момент количества движения ротора гироскопа.

Величина радиуса R траектории движения транспортного средства обратно пропорциональна величине управляющего момента Мс:

V V

R = = V X К х (1 + га х Н х V/K) / Мс

Однако в результате наличия динамической ошибки регулирования и переходных процессов в управляющей системе скорость вращения ω _ψ корпуса 1 не равна в общем случае скорости прецессии ω _ρ . Замеряя скорость прецессии ω _ρ ротора 12 с помощью гироскопического датчика 26 угловой скорости, установленного на рамке 13 гироскопа, бортовой компьютер управляющей системы 28 по вышеприведенным формулам рассчитывает величину суммарного действующего момента по крену и использует эту информацию для улучшения своей работы. Этот сигнал также может быть использован для установки транспортного средства в нулевое положение перед началом работы. Смещение центра масс для получения управляющего воздействия может производиться разными способами. Управляющий момент может создаваться путем передвижения специальной нагрузки в поперечной плоскости транспортного средства. В качестве нагрузки могут быть использованы массивные части транспортного средства, например аккумуляторная батарея.

Для персонального транспортного средства с пассажиром на борту боковое управляющее воздействие осуществляется смещением частей тела пассажира в поперечной плоскости транспортного средства, что позволяет осуществлять управление по курсу без использования каких-либо дополнительных средств.

Управляющий момент можно создавать путем наклона корпуса 1 транспортного средства вокруг оси крена. Такая возможность обеспечивается наличием опорного устройства, позволяющего свободно поворачивать корпус вокруг оси крена, и наличием моментного привода 20, способного прикладывать вращающий момент к ротору 12 гироскопа вокруг оси рамки 13 гироскопа. Управление наклоном корпуса 1 включает два этапа, разделенные по времени. На первом этапе производится наклон корпуса 1 и создается управляющий момент. На втором этапе осуществляется движение транспортного средства по заданной траектории с фиксированным углом наклона корпуса 1. Предполагается, что длительность второго этапа намного больше длительности первого.

На фиг. 12 показана схема сил и моментов, действующих на транспортное средство имеющего наклон корпуса 1 в поперечной плоскости (крен) на угол γ. В таком положении находится корпус 1 транспортного средства на втором этапе. На фиг. 12 показан вид сзади. Вектор продольной скорости V направлен перпендикулярно плоскости чертежа от наблюдателя, проходит через точку О, расположенную посередине между колесами 8, 9. Через нее так же проходит ось крена.

Величина управляющего момента Мс зависит от величины угла наклона γ, высоты центра масс Н и веса тела Р:

Р = т X д

Мс = Р X И X sin v

Скорость поворота корпуса 1 вокруг вертикальной оси, обеспечиваемая управляющей системой, в установившемся режиме:

ωρ

ωψ =

cos y При движении со скоростью V на транспортное средство будет так же действовать центробежная сила Fcf. Величина ее определяется скоростью движения V и скоростью вращения корпуса ωψ:

Fcf = тп X V X 0)

Эта сила будет создавать момент вокруг оси крена:

Mcf = Fcf К Н X cosy

Mcf - т X И X V X ύϋψ X cosy

Разность управляющего Мс и центробежного Mcf моментов уравновешивается гироскопическим моментом Мд свободно прецессирующего ротора 12 гироскопа:

Мд = Мс - Mcf

Скорость прецессии ротора 12 под действием суммарного момента:

ωρ = Mg/K

где К- момент количества движения ротора.

Следовательно :

ωψ Х К X COS γ = т Х д Х К X sin γ - т X V X ύΐψ X Н cos γ ωψ = m X g X Н X sin γ /{ Κ X COS }·' + га X V X Н X cos у)

При малом угле γ можно считать:

sin у ^ у

cos y 1

Тогда:

ωψ = m X д Н X у/ ( К -г т X И X V)

Из формулы видно, что скорость вращения по курсу транспортного средства пропорциональна углу крена и уменьшается при увеличении продольной скорости.

При этом транспортное средство движется в установившемся режиме по окружности с радиусом R вокруг оси вращения QJ:

R = V X ( К -т т X V X Я)/ т д X Н X у Из формулы видно, что радиус окружности обратно пропорционален углу крена и увеличивается с увеличением скорости движения транспортного средства.

Следует отметить, что в результате отсутствия воздействия крутящего момента сила тяжести и центробежная сила распределяются на оба колеса поровну вне зависимости от величины угла наклона корпуса.

Для поворота корпуса 1 в другое положение и изменения таким образом траектории движения транспортного средства необходимо повернуть его вокруг оси крена. Такой поворот осуществляется путем приложения крутящего момента Mm к рамке 13 гироскопа вокруг вертикальной оси с помощью моментного привода 20. При приложении такого момента ротор 12 гироскопа прецессирует вокруг оси крена со скоростью ωγ, поворачивая при этом корпус 1 транспортного средства. Такой поворот возможен, если момент Mm, производимый моментным приводом 20, будет больше суммарного момента Mg по крену. Для создания такого момента на время проведения управляющего воздействия необходимо создать упор относительно поверхности для приложения сил, создающих крутящий момент и исключить возможность дополнительного вращения корпуса 1 вокруг вертикальной оси. Для этого управляющая система 28 стабилизирует текущую скорость вращения колес 8, 9 на время проведения воздействия, не давая им изменять скорость вращения под действием приложенного вертикального момента. Уменьшение суммарного момента возможно также кратковременным приложением дополнительной центробежной силы. Такую дополнительную силу можно создать увеличением скорости поворота корпуса 1 на время действия кренящего воздействия. Приложение кренящего момента кратковременно и имеет импульсный характер. Период времени в течение, которого длится поворот, пропорционален кинетическому моменту ротора 12 гироскопа и требуемому углу поворота и обратно пропорционален величине крутящего момента, прикладываемого моментным приводом 20. Этот период должен быть настолько малым, что бы за это время параметры движения транспортного средства не могли бы существенно измениться. Для получения малой длительности поворота моментный привод 20 должен быть способен вырабатывать большой момент в течение короткого промежутка времени. Угол наклона определяется с помощью интегрирования сигнала от гироскопического датчика угловой скорости по крену, входящего в управляющую систему 28. Суммарный действующий момент по крену определяется замером скорости прецессии ротора 12 вокруг вертикальной оси с помощью гироскопического датчика 26 угловой скорости прецессии, установленного на рамке 13 гироскопа. Период создания управляющего момента заканчивается после поворота корпуса на заданный угол или достижения заданной скорости вращения транспортного средства.

В управляющую систему 28 также включен гироскопический датчик угловой скорости поворота корпуса 1 по тангажу (не показан). При наклоне корпуса 1 по тангажу сигнал от указанного гироскопического датчика передается в управляющую систему 28, бортовой компьютер которой передает управляющий сигнал на усилители мощности приводов 10, 11 колес 8, 9 для изменения их скорости с целью восстановления вертикального положения корпуса транспортного средства. Управление транспортным средством по тангажу осуществляется способом, который широко используется для транспортных средств подобного типа.

В процессе движения на транспортное средство действуют различные внешние силы. Сила продольного сопротивления прямолинейному движению преодолевается за счет наклона корпуса 1 транспортного средства и смещения вперед центра тяжести транспортного средства с таким условием, что горизонтальная проекция силы веса компенсирует силу продольного сопротивления. Равновесие при этом поддерживается за счет ускоренного движения колес в направлениях вперед - назад около точки равновесия. Продольное ускорение или торможение транспортного средства достигается также за счет изменения угла наклона оси транспортного средства в продольном направлении - угла тангажа и создания, таким образом, горизонтальной составляющей силы тяжести, которая по абсолютной величине может быть больше силы сопротивления, если необходим разгон или меньше, если необходимо торможение. Необходимые управляющие моменты вырабатываются электроприводами 10, 11 по сигналам управляющей системы 28. Управляющая система 28 получает сигнал от гироскопического датчика угловой скорости тангажа, и на его основе вырабатывает управляющее воздействие. Следует отметить, что для выработки, как управляющего, так и стабилизирующего момента корпус транспортного средства должен иметь возможность вращаться вокруг оси тангажа. Механический гироскоп, имеющийся в составе транспортного средства, при некоторых условиях может создавать паразитный стабилизирующий момент по углу тангажа и препятствовать выполнению управляющего поворота, что может вносить помехи в канал управления по тангажу и препятствовать его нормальной работе. Для устранения этой помехи управляющая система 28 анализирует текущую величину отклонения оси ротора гироскопа и принимает решение о фиксации рамки с помощью моментного привода 20 рамки 13 гироскопа на время проведения необходимого поворота транспортного средства. Для улучшения управляемости применяются переключатели (задатчики) управления. Для управления по скорости - задатчик скорости или ускорения (по принципу педали газа), а для управления направлением движения задатчик поворота. Такие переключатели могут быть выполнены например в виде двухкоординатного джойстика либо в виде двухкоординатных опорных площадок, конструкции которых будут описаны ниже.

На фиг. 13 показано транспортное средство согласно другому варианту реализации. Указанное транспортное средство предназначено для перемещения пассажира и содержит сидение 64, на котором может сидеть пассажир, управляющий транспортным средством. Сидение 64 установлено на регулируемой стойке 65, которая соединена с корпусом 1 с возможностью регулировки высоты сиденья 64. Кроме того для поддержки ног водителя по бокам корпуса 1 устанавливаются левая опорная площадка 66 и правая опорная площадка 67. В приведенном варианте реализации площадки 66, 67 неподвижно установлены на осях 6, 7. На фиг. 14 показан местный вид, иллюстрирующий установку площадок 66, 67 на осях 6, 7. Площадки 66, 67 также могут крепиться неподвижно на корпусе 1. В транспортном средстве для перемещения пассажира используются защитные крылья 68, 69, изолирующие ноги пассажира от соприкосновения с колесами 8, 9, причем указанные крылья 68, 69 в приведенном варианте реализации неподвижно установлены на осях 6, 7 колес. Площадки 66, 67 и крылья 68, 69 перемещаются вместе с колесами 8, 9 при движении по пересеченной местности и при наклоне транспортного средства по углу крена. Транспортное средство для перемещения пассажира, показанное на фиг. 13, также содержит двухстепенной гироскоп, в котором ротор и привод ротора размещены в герметичном кожухе 60. Для уменьшения потерь при больших скоростях вращения ротора в кожухе поддерживается высокий вакуум. Кожух 60 одновременно исполняет функцию рамки гироскопа. Кожух 60 установлен в подшипниковых опорах 14, 15. Во взаимодействии с кожухом 60 установлена секторная шестерня 21, которая передает крутящий момент от моментного привода 20 на кожух 60 и соответственно на ротор гироскопа. На кожухе 60 установлен также гироскопический датчик 26 угловой скорости прецессии ротора. На корпусе 1 установлен датчик 25 угла поворота рамки гироскопа, то есть кожуха 60 относительно корпуса 1. Управление таким транспортным средством осуществляется путем переноса веса тела пассажира в поперечной и продольной плоскости.

На фиг. 15 показан еще один вариант реализации транспортного средства для перемещения пассажира, в котором площадки 66, 67 установлены подвижно на корпусе 1, а именно на пальцах 2, 3 корпуса 1 с возможностью поворота относительно них. На фиг. 16 показан местный вид, иллюстрирующий установку площадок 66, 67 на пальцах 2, 3. Похожим образом площадки 66, 67 могут быть установлены на осях 6, 7 колес.

Угол поворота площадок 66, 67 ограничивается упорами 72, 73 площадок в верхнем положении и задним кронштейном 74 в нижнем положении. Подъем площадок 66, 67 в верхнее положение осуществляется пружинами (не показаны). При постановке ног пассажира на площадки 66, 67 они под действием веса ноги опускаются, поворачиваясь вокруг пальца 2 или 3 до упора в задний кронштейн 74. Вес ноги распределяется между задним кронштейном 74 и пальцем 2 или 3. Угол подъема площадок относительно корпуса 1 замеряется датчиками 75, 76 угла, закрепленными на пальцах 2, 3. Этот угол приблизительно пропорционален величине подъема ноги. Сигнал с датчиков 75, 76 подается на систему управления 28 и служит для выработки управляющего сигнала по курсу. На площадках 66, 67 с возможностью линейного перемещения установлены опоры 77, 78. Опоры 77, 78 удерживаются в среднем положении пружинами (не показаны). Перемещение опор 77, 78 относительно площадок 66, 67 ограничивается упорами 79, 80. Величина перемещения опор 77, 78 относительно площадок 66, 67 замеряется датчиками 82, 83, продольного перемещения установленными на площадках 66, 67. При сдвиге опор 77, 78 относительно площадок 66, 67 под воздействием ног пассажира датчики 82, 83 вырабатывают управляющие сигналы для управления скоростью движения транспортного средства. Указанные управляющие сигналы подаются на систему управления 28.

Скорость движения транспортного средства изменяется в соответствии с положением ног водителя. При поднятии одной из ног ее контакт с опорой 77, 78 может быть нарушен и опора 77, 78 может оказаться в случайном положении. Для исключения случайного воздействия поднятой опоры 77, 78 управляющая система 28 учитывает сигнал, поступающий только с опоры 77, 78, которая находится в опорном положении (прижата ногой к заднему кронштейну 74). Таким образом, одна нога управляет скоростью движения, а вторая направлением движения.

В приведенном варианте реализации для управления скоростью и направлением движения транспортного средства используются опоры, которые способны перемещаться в двух направлениях под действием ног пассажира. При этом направление движения может быть задано путем вертикального (поворотного) перемещения опор, а скорость движения транспортного средства - путем горизонтального (линейного) сдвига указанных опор. Сигнал от датчиков 75, 76, 82, 83 поступает в управляющую систему 28. Система 28 вырабатывает сигналы управления левым и правым электроприводами 10, 11 и моментным приводом 20, в результате чего транспортное средство движется в заданном пассажиром направлении.

На фиг. 17 показан вариант реализации транспортного средства, в котором корпус 1 содержит опорную стойку 86, размещенную с возможностью опоры на нее руками пассажира. В качестве органа управления в приведенном варианте реализации используется двухкоординатный джойстик 87, установленный в указанной стойке 86. Перемещение джойстика 87 с помощью руки пассажира вперед-назад регулирует продольную скорость движения транспортного средства, а наклон в боковой плоскости обеспечивает управление направлением движения. В приведенном варианте реализации площадки 66, 67 и защитные крылья 68, 69 крепятся к корпусу 1 транспортного средства, причем передние части площадок 66, 67 закреплены неподвижно на пальцах 2, 3, а задние опираются на кронштейн 74, закрепленный на корпусе 1. В процессе движения пассажир может сидеть на седле, поставив ноги на площадки 66, 67 и держаться рукой за стойку 86. Управление транспортным средством в этом случае производится как переносом веса водителя, так и с помощью органов управления.

На фиг. 18 показано транспортное средство согласно другому варианту реализации. Указанное транспортное средство предназначено для перемещения груза и содержит площадку 62 для перемещения груза, которая установлена на корпусе 1 и которая может быть оснащена различными средствами крепления груза (не показаны).

На фиг. 19 показано транспортное средство, показанное на фиг. 18, без площадки для размещения груза. Управляющий момент для управления движением такого транспортного средства прилагается за счет перемещения специальной нагрузки в поперечном направлении относительно центра масс транспортного средства. Как показано на фиг. 19 в составе транспортного средства имеется нагрузка 88, установленная на кронштейне 89, с возможностью перемещения в поперечном направлении. Перемещение нагрузки 88 происходит с помощью ходового винта 90, установленного в кронштейне 89 в подшипниках с возможностью вращения. Вращение ходового винта 90 осуществляется в требуемом направлении с помощью электропривода 91, получающем управляющие сигналы от управляющей системы 28. Электропривод 91 в данном варианте реализации установлен непосредственно на управляющей нагрузке 88 и перемещается вместе с ней. При этом суммарная масса будет включать в себя как массу управляющей нагрузки 88, так и массу электропривода 91. При смещении нагрузки 88, имеющей суммарную массу m от центрального положения на величину dYl на корпус 1 транспортного средства действует управляющий момент Мс: Μ ιι, άΥ = m X dYl

Под действием этого момента ротор гироскопа прецессирует со скоростью ωρ:

ωρ = Кд Х Мс

Управляющая система 28 поворачивает корпус 1 транспортного средства вслед за поворотом ротора гироскопа и таким образом изменяет направление движения транспортного средства в процессе его поступательного перемещения, либо поворачивает транспортное средство при стоянке. В альтернативных конструкциях для снижения массы транспортного средства в качестве смещаемой управляющей нагрузки возможно использовать либо массивные части транспортного средства, например аккумулятор или гироскоп, либо смещать точку приложения веса всего транспортного средства, смещая ось 58 поворота коромысла 57 относительно корпуса 1 в поперечном направлении.

Управляющая система 28 для управления вышеописанным транспортным средством показана на фиг. 20. Система 28 включает бортовой компьютер, который подает управляющие сигналы на приводы 10, 11 колес, привод 20 или привод 91 на основании входных данных от системы датчиков транспортного средства.

Следует отметить, что управляющая система 28 представляет собой систему с переменной структурой. Выбор структуры системы 28 осуществляется бортовым компьютером и зависит от соотношения входных параметров - величины сигнала управления по курсу, величины продольной скорости, величины суммарного бокового момента, а так же от текущего этапа или периода управления. На каждом этапе система управления анализирует входные данные, получаемые от датчиков, и выбирает необходимую структуру регулирования, обеспечивающую достижение требуемого результата.