Моноколесо с антипродавливателем
MONO-WHEEL WITH ANTI-PUNCH

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к транспортной технике, а конкретно к моноколесным мобильным индивидуальным транспортным средствам для передвижения по городу, большим наземным и подземным сооружениям, в условиях ограниченных окружающих путь пространств, а также к технике спорта и развлечений.
Уровень техники.
В качестве аналога предлагаемого изобретения принято средство транспорта моноцикл или уницикл (от англ. unicycle), приводимое в движение мускульной силой человека, оснащенное одним колесом, или «цирковой велосипед одноколесный», патент US 242161 А. Моноцикл применялся для цирковых представлений на Западе с начала 1880 гг. Поддержание равновесие на моноцикле осуществляется преимущественно во время движения, и моноцикл сохраняет вертикальное положение при езде до тех пор, пока колесо удерживается под центром масс (теория инвертированного маятника). Удержание колеса в нужном положении - задача райдера (от англ. rider - ездок), осуществляемая с помощью точной моторики. Достоинство моноцикла - крайняя простота устройства, в самом простом исполнении которого моноцикл представляет собой просто колесо с коленчатыми велосипедными педалями на оси колеса без устройства передачи (звездочек и цепи) и без сиденья. Недостаток моноцикла в крайне трудном освоении такого транспортного средства без наличия спортивных навыков из видов спорта, тренирующих равновесие спортсменов, необходимость постоянного вращения педалей (нет муфт свободного хода), т.е невозможность ездить "накатом", небольшая скорость движения при постоянной затрате больших мышечных усилий и соответственная небольшая дальность езды до наступления значительной мышечной усталости. Моноцикл получил распространение только в качестве средства развлечения публики артистами цирка, шоу и прочего подобного или в качестве спортивного снаряда.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения принято новое транспортное средство электрическое моноколесо (анг.- self-balancing unicycle; electric unicycle), впервые представленное публике в сентябре 2010 г., патентная публикация US 20110220427 A1; US 8807250 В2, которое как и моноцикл использует для движения только одно колесо, но снабженное электродвигателем, источником электропитания (электрическим аккумулятором), педалями (подножками) для ног райдера и для сохранение равновесия на котором в одной из плоскостей используются датчики, гироскопы и акселерометры. Изменение угла наклона райдера (вертикальной оси моноколеса) относительно вертикали горизонта в плоскости направления движения определяет гиродатчик. Сигнал от гиродатчика поступает в электронную систему и изменяет скорость двигателя таким образом, чтобы вернуть райдера в равновесие (т.е. вертикальную ось моноколеса в вертикальное же положение, а горизонт педалей в горизонтальное положение, удобное для езды). В случае если райдер наклоняется вперед, наклоняя горизонт педалей, скорость увеличивается, а если откидывается назад, наклоняя горизонт педалей в обратную сторону, скорость уменьшается. Таким образом баланс транспортного средства восстанавливается. "Горизонт педалей" – термин, принятый в сообществе разработчиков и пользователей (т.е. райдеров) моноколес,  означает горизонтальное относительно горизонта земли положение педалей. В нормальном состоянии включенное моноколесо без райдера сохраняет горизонт педалей, равный горизонту земли. При воздействии райдера на педали они отклоняются на некоторый угол от горизонта (см. ниже "режимы езды").
Стабилизация моноколеса по крену (противодействие падению на бок) осуществляется самим райдером балансированием тела. Такой способ сохранения равновесия по крену позволяет совершать повороты моноколеса с райдером, причем радиус разворота у опытных райдеров может быть даже менее диаметра колеса самого моноколеса. Достоинства моноколеса заключаются в легком освоении езды и управления моноколесом практически любым человеком в возрасте от 3 лет до 80 лет и более, не имеющих вообще никаких спортивных навыков. Достоинство моноколеса заключается также в его компактности (вес от 7 кг и до 16 кг в зависимости от емкости применяемых аккумуляторов), возможности транспортировать его в общественном транспорте на дальние расстояния, большая дальность поездки на моноколесе на одном заряде аккумуляторов (до 100 км и более), значительная скорость движения, достигающая скорости более 40 км/ч, причем эта скорость в настоящее время ограничивается искусственно только из соображений безопасности. В настоящее время приводной электродвигатель моноколеса в различных моделях моноколес, выпускаемых различными компаниями, может представлять как отдельный агрегат, соединенный с колесом-движителем напрямую или через разные виды передач, так и быть совмещенным с колесом движителем, то есть являться электромотор-колесом движителем.
Основным и практически единственным серьезным недостатком моноколеса в настоящее время является эффект "продавливания".
Термин "продавливание" уже принят в сообществе разработчиков и пользователей моноколес со времени появления коммерческих моделей моноколес в 2012 г. в развитых странах мира (впервые в США) и описывает эффект неожиданного для райдера отключения двигателя моноколеса от источника питания или недостаточного вращательного момента двигателя моноколеса при превышении пиковой мощности двигателя или источника питания двигателя при определенных режимах езды. Продавливание моноколеса является основной причиной падений и травм райдеров, а также создания аварийных ситуаций на дорогах с участниками дорожного движения на моноколесах. Продавливание происходит по трем основным причинам и их комплексному воздействию.
1. Если скорость моноколеса уже максимальная, установленная для данной модели, а райдер пытается ехать еще быстрее.
2. Если райдер слишком сильно и резко наклонится при движении даже с малой скоростью.
3. Если райдер пытается въехать или съехать с горки, угол подъема или спуска с которой превышает возможности моноколеса восстанавливать горизонт педалей.
У каждого моноколеса есть крейсерская (рекомендуемая производителем скорость) и максимальная скорость. Рекомендуемая скорость моноколеса - это скорость, при которой горизонт педалей моноколеса не будет подниматься автоматически для снижения скорости и не будет звучать звуковой сигнал (обычно это прерывистый сигнал), предупреждающий о превышении рекомендуемой скорости. При превышении этой скорости можно и дальше набирать скорость до максимальной, но при приближении к максимальной скорости звучит предупреждающий сигнал, и горизонт педалей начинает подниматься, что создает дискомфорт при езде, так как положение ног становится неудобным. Это неудобство должно ограничить скорость райдера его инстинктивным отклонением назад для восстановления удобного положения ног на педалях. При достижении максимальной скорости прерывистый сигнал перерастет в монотонный, а горизонт подъема педалей становится максимально неудобным. Это означает, что моноколесо достигло максимальной скорости. Дальнейшее увеличение скорости приведет к невозможности мотор-колеса и источника электропитания восстанавливать вертикальное положение вертикальной оси моноколеса (недостаток мощности), при этом происходит отключение моноколеса, и оно "продавливается" под райдером, что означает неминуемую (и как правило, серьезную) травму при скорости моноколеса более 16-18 км/ч. Эта скорость есть максимальная скорость неожиданного бега при соскоке с моноколеса человека среднего физического развития до его остановки (не упав) после неожиданного "продавливания" моноколеса.
Если райдер даже на малой или на крейсерской скорости очень резко наклонится вперед, попытавшись резко ускориться, наклон вертикальной оси колеса отклонится от вертикальной оси горизонта на угол, который превзойдет возможности мощности мотор-колеса и источника электропитания моноколеса восстановить вертикальное положение вертикальной оси моноколеса и последует отключению моноколеса аналогично вышеописанному при попытке увеличения скорости моноколеса свыше максимальной скорости и последующее "продавливание".
Если райдер въезжает на горку или подъем или съезжает с горки (то же касается и различных резких выпуклых или углубленных неровностей на дороге) или спуска, угол подъема или спуска которых превышает возможности моноколеса восстанавливать горизонт педалей, следует "продавливание". Угол максимального подъема или спуска для конкретной модели моноколеса, так же как максимальный предел скорости и допустимого возможного ускорения, зависят от мощности двигателя моноколеса, от веса райдера и степени заряда (разряда) аккумуляторов.
Начало "продавливания" в большой степени зависит от веса райдера. Райдер с небольшим весом (50-75 кг) имеет риск "продавливания" в значительно меньшей степени, чем райдер с большим весом (90-120 кг), так как при малом весе райдера источник электропитания и электродвигатель моноколеса имеют значительные запасы мощности. И в то же время райдеры с большим весом, как правило, либо малоподвижны, либо пожилого возраста и последствия "продавливания" и падения для них более катастрофические.
У современных моноколес при помощи блютуз приложения можно установить разные режимы езды, удобные для райдера в зависимости от предпочтений или навыков езды. Обычно их 3 вида:
1. Hard-спортивный или "жесткий" режим. При этом режиме педали моноколеса жестко держат горизонт, и почти не наклоняются. Моноколесо мгновенно реагирует на наклоны тела райдера, требует мощного двигателя и небольшого веса райдера.
2. Standard, Normal- нормальный, medium-средний. Педали наклоняются от 1° до 10°. Моноколесо плавно реагирует на наклоны райдера.
3. Soft, Comfort-комфортный или "мягкий" режим. Угол наклона педалей при этом режиме может достигает 10°. Моноколесо реагирует очень плавно, замедленно.
Любой из этих режимов можно "продавить" превзойдя наклоном педалей максимально допустимое восстанавливаемое мощностью двигателя и источника электропитания положение горизонта педалей.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание устройства для предотвращения "продавливания" моноколеса и соответственного предотвращения травм и аварийных ситуаций на дорогах с участниками дорожного движения на моноколесах.
Сущность изобретения заключается в том, что моноколесо, содержащее колесо движитель или электромотор-колесо движитель, корпус, педали для ног, электродвигатель, приводящий в действие колесо движитель или электромотор-колесо движитель, основной источник электропитания электродвигателя или электромотора-колеса-движителя, главное устройство автоматического управления электродвигателем, содержит также дополнительный или резервный источник электропитания упомянутого электродвигателя или дополнительный неэлектрический энергетический агрегат для привода упомянутого колеса движителя или электромотор-колеса движителя и дополнительное устройство автоматического управления дополнительным или резервным источником электропитания или дополнительным неэлектрическим энергетическим агрегатом для привода упомянутого колеса движителя или электромотор-колеса движителя.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный источник электропитания имеет возможность выдавать кратковременный ток, по меньшей мере равный пиковому току упомянутого основного источника электропитания при его максимальной нагрузке.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный источник электропитания представляет собой гальваническую или аккумуляторную батарею.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый резервный источник электропитания представляет собой резервные элементы (ячейки) основного источника электропитания.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный источник электропитания представляет собой конденсатор или суперконденсатор.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный источник электропитания представляет собой конденсатор или суперконденсатор с преобразователем напряжения.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный неэлектрический энергетический агрегат представляет собой маховик с редуктором.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный неэлектрический энергетический агрегат содержит резервуар сжатого или сжиженного газа, электропневмоклапан и пневмодвигатель, соединенный или автоматически соединяемый с упомянутым колесом движителем или элекхромотор-колесом движителем, и управляемый упомянутым дополнительным устройством автоматического управления.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный неэлектрический энергетический агрегат содержит пиротехнический газогенератор и пневмодвигатель, соединенный или автоматически соединяемый с упомянутым колесом движителем или электромотор-колесом движителем и управляемый упомянутым дополнительным устройством автоматического управления.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый дополнительный неэлектрический энергетический агрегат содержит по меньшей мере один пиротехнический газогенератор, снабженный реактивным соплом и расположенный на ободе упомянутого колеса движителя или электромотор-колеса движителя и управляемый упомянутым дополнительным устройством автоматического управления.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутое дополнительное устройство автоматического управления дополнительного или резервного источника электропитания или упомянутого дополнительного неэлектрического энергетического агрегата имеет звуковой индикатор подключения дополнительного или резервного источника электропитания или упомянутого дополнительного неэлектрического энергетического агрегата к упомянутому колесу движителю или упомянутому электродвигателю или электромотор-колесу движителю.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутое дополнительное устройство автоматического управления является составной частью электрической схемы упомянутого главного устройства автоматического управления.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутое дополнительное устройство автоматического управления выдает управляющие сигналы с коррекцией относительно веса райдера.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутое дополнительное устройство автоматического управления выдает управляющие сигналы с коррекцией относительно веса райдера и максимальной скорости моноколеса.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутое дополнительное устройство автоматического управления может отключать упомянутый электродвигатель привода колеса движителя или электромотор-колеса движителя на заданное время.
Осуществление изобретения
Моноколесо с предлагаемым устройством предохранения от продавливания содержит фактически дополнительный (или резервный) по отношению к основному "сверхпиковый" источник энергии для приведения в движение колеса движителя автоматически при помощи дополнительного устройства автоматического управления, подключаемый к двигателю моноколеса в момент, когда происходит превышение пиковых возможностей основного источника электропитания двигателя и (или) превышение допустимого угла "горизонта педалей". Дополнительный сверхпиковый источник электрической энергии работает очень непродолжительное время, но может отдавать очень большую кратковременную мощность, которая не должна превышать сверхпиковое время работы электродвигателя до перегорания его обмоток. Время практически возможной сверхпиковой работы электродвигателей моноколес в 2-5 с намного превышает время реакции райдера и достаточно для выхода из "продавливания" для любых типов электродвигателей применяемых в любых моделях моноколес. В случае же использования сверхпикового источника неэлектрической энергии максимальная развиваемая мощность такого источника лимитирована только условиями сохранения угла положения вертикальной оси моноколеса в пределах угла, допустимого для безопасности райдера.
В качестве дополнительного источника электрической энергии для двигателя приведения в движение колеса движителя или электромотор-колеса движителя могут быть использованы дополнительная по отношению к основной аккумуляторная батарея, устанавливаемая отдельно от основной, либо резервные элементы (ячейки) в корпусе основной аккумуляторной батареи.
3
В качестве дополнительного источника электрической энергии для двигателя приведения в движение колеса движителя или электромотор-колеса движителя перспективно использовать дополнительную, по отношению к основной аккумуляторной батарее, батарею конденсаторов или суперконденсаторов (или ионисторов). Современные суперконденсаторы имеют напряжение ячейки около 2,5-2,7B. Для питания двигателя приведения в движение колеса движителя или электромотор-колеса движителя потребны напряжения в десятки вольт (30-100B). Можно соединять суперконденсаторы последовательно для достижения напряжения питания 30-100B. Но также для преобразования низкого напряжения суперконденсатора в напряжение, составляющее десятки вольт, целесообразно и применение инвертера типа DC/DC. В настоящее время инвертер DC/DC с кратковременно преобразуемой мощностью в несколько киловатт, необходимой для сверхпиковой работы двигателя приведения в движение колеса движителя или электромотор-колеса движителя моноколеса, занимает объем не более 100 см при весе не более 100 г, что практически не увеличивает существующие габариты моноколес.
В качестве источника неэлектрической энергии может быть использован маховик-накопитель энергии, вращаемый от основного электродвигателя или от электромотора-колеса движителя или от небольшого индивидуального электродвигателя. Маховик может быть выполнен как в виде отдельного устройства, расположенного вне колеса движителя, так и располагаться в самом колесе движителе, например в его ободе, или быть выполненным в составе электромотор-колеса движителя. При значительных оборотах маховика, раскручиваемого через повышающий редуктор от электродвигателя колеса движителя или электромотор-колеса движителя или от отдельного электродвигателя, вес и габариты маховика для кратковременной сверхпиковой работы могут быть незначительными и не сильно увеличивающими общий вес и габариты моноколеса. При превышении пиковых возможностей основного источника электропитания двигателя и (или) превышении угла "горизонта педалей" сверх допустимого дополнительное устройство автоматического управления дополнительным или резервным источником энергии подключает маховик, имеющий понижающий механический редуктор к колесу-движителю или электромотор-колесу движителю, например через быстродействующую автоматическую муфту сцепления, или, например, непосредственным прижатием вала или обода маховика к ободу или шине колеса движителя или электромотор-колеса движителя. Одновременно включается мощный акустический сигнализатор, оповещающий райдера, что произошло ликвидированное "продавливание" и необходимо срочно выходить из данного режима езды или преодоления препятствий для предотвращения наступления реальной травмы. При этом дополнительная подведенная к колесу мощность восстанавливает горизонт педалей и поднимает педали на максимальный угол, препятствуя райдеру дальнейшему наклону вперед (т.е. попытки снова "продавить" моноколесо).
В качестве источника неэлектрической энергии может быть использована потенциальная энергия сжатого (или сжиженного) газа, находящегося в резервуаре (баллоне) и используемого только в случае "продавливания" моноколеса с последующей новой заправкой газом. При превышении пиковых возможностей основного источника электропитания двигателя и (или) превышении угла "горизонта педалей" сверх допустимого дополнительное устройство автоматического управления дополнительным или резервным источником энергии открывает электропневмоклапан резервуара сжатого или сжиженного (и газифицируемого) газа, при этом газ поступает в пневмодвигатель, присоединенный постоянно или автоматически соединяемый быстродействующей муфтой сцепления (в примитивном варианте прижимаемый валом с фрикционной частью прямо к покрышке колеса движителя или электромотор-колеса движителя) с колесом движителем или электромотор-колесом движителем. Одновременно включается мощный акустический сигнализатор, оповещающий райдера, что произошло ликвидированное "продавливание" и необходимо срочно выходить из данного режима езды или преодоления препятствий. При этом дополнительная подведенная к колесу мощность восстанавливает горизонт педалей и поднимает педали на максимальный угол, препятствуя райдеру дальнейшему наклону вперед (т.е. попытке снова "продавить" моноколесо). После предотвращения продавливания необходима дозаправка или полная заправка баллона со сжатым (сжиженным) газом.
В качестве источника неэлектрической энергии может быть использован пиротехнический газогенератор, используемый только в случае "продавливания" моноколеса с последующей перезарядкой. При превышении пиковых возможностей основного источника электропитания двигателя и (или) превышении угла "горизонта педалей" сверх допустимого дополнительное устройство автоматического управления дополнительным или резервным источником энергии при помощи электровоспламенителя запускает пиротехнический газогенератор. При этом генераторный газ поступает в пневмодвигатель, присоединенный постоянно или автоматически соединяемый быстродействующей автоматической муфтой сцепления (в примитивном варианте прижимаемый валом с фрикционной частью прямо к покрышке колеса движителя или электромотор-колеса движителя) с колесом движителем или электромотор-колесом движителем. При этом дополнительная подведенная к колесу мощность восстанавливает горизонт педалей и даже поднимает педали, препятствуя райдеру дальнейшему наклону вперед (т.е. попытке снова "продавить" моноколесо). При использовании пиротехнического газогенератора в связи с большой кратковременной мощностью, развиваемой такими газогенераторами, возможно упрощение всей конструкции с применением газогенератора или нескольких газогенераторов, устанавливаемых тангенциально на наибольшем возможном радиусе ободе колеса движителя или электромотор-колеса движителя и снабженных реактивными соплами. В такой реактивной конструкции устройство управления дополнительным или резервным источником энергии при помощи электровоспламенителя запускает пиротехнический газогенератор, при этом реактивный момент, приложенный к ободу колеса, создает значительную силу, препятствующую продавливанию, и на короткое время восстанавливает горизонт педалей и поднимает педали на максимальный угол. При этом райдер одновременно информируется о произошедшем ликвидированном "продавливании" акустическими и пылевыми (дымовыми) эффектами сработавших газогенераторов, что заставляет его изменить режим езды или преодоления препятствий. После предотвращения продавливания необходима замена использованных газогенераторов либо замена в них пирозарядов на новые.
Дополнительное устройство автоматического управления может быть программируемо относительно веса райдера или веса райдера и скорости райдера для коррекции предельно допустимого положение горизонта педалей.
В современных моноколесах скорость райдера уже определяется главным устройством автоматического управления электродвигателем практически во всех моделях моноколес с блютуз приложением. Вес райдера можно определять как автоматически (однако эта дополнительная функция требует введения дополнительных датчиков и возможные изменения конструкции моноколеса) с введением измеренного веса в программу дополнительного устройства автоматического управления, так и вводить в программу вручную перед использованием моноколеса.
Во всех вышеприведенных вариантах исполнения устройств антипродавливания целесообразно полное выключение питания моноколеса на определенное время (от нескольких минут до нескольких десятков минут) после срабатывания устройства антипродавливателя. Это время необходимо, чтобы райдер осознал, что был бы неминуемо травмирован, если бы моноколесо не имело предлагаемого антипродавливателя.
За прошедшие 4 года с момента начала эксплуатации различных моделей моноколес в развитых странах мира емкость аккумуляторов моноколес выросла со 150 Вт⋅ч до более чем 850 Вт⋅ч, выросли и мощности электродвигателей моноколес или электромотор-колес. Практика при этом показала, что установка на моноколесо более мощного главного источника питания и (или) более мощного двигателя не предотвращает "продавливания", так как райдер всегда стремится увеличивать скорость езды по мере освоения навыков езды и управления колесом, при этом автоматическое поднимание педалей при увеличении допустимой скорости, как показывает не менее чем уже четырехлетняя практика эксплуатации моноколес в развитых странах мира, также не предотвращает попыток большего наклона райдера вперед, результатом чего становиться неизбежное "продавливание". Кроме того, по мере распространения моноколес как нового вида транспорта растет и число райдеров более пожилого возраста (с большим весом и худшей заживляемостью травм). Большой вес райдеров увеличивает возможность "продавливания", большой возраст ухудшает последствия травм при падениях райдеров вследствие низкой заживляемости травм у людей среднего и пожилого возраста.