兩輪平衡車的設(shè)計

兩輪平衡車的設(shè)計摘要兩輪自平衡車結(jié)合了兩輪同軸、獨立驅(qū)動、懸架結(jié)構(gòu)和倒立擺模型的自平衡原理，是一種在微處理器控制下始終保持平衡的集智能化與娛樂性于一體的新型代步工具。整車由底盤、動力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。底盤采用下沉式的懸架結(jié)構(gòu)，降低車身和使用者的重心減小了平衡控制難度,利用阻尼器削弱沖擊力提高駕駛舒適性；控制部分由陀螺儀和加速度計作為傳感器模塊監(jiān)測車體狀態(tài)，可獲得精確穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。同時微處理器實時處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進而由驅(qū)動模塊控制電機轉(zhuǎn)動以維持車體平衡；轉(zhuǎn)向操縱桿高度可調(diào)節(jié)亦可折疊，以適應(yīng)不同高度人士使用又便于運輸和存放；采用電池作為動力能源，當(dāng)車減速或下坡時可自動回送電能更加節(jié)能。兩輪自平衡車的基本設(shè)計理念是娛樂、經(jīng)濟、安全、方便、節(jié)能環(huán)保。本車具有運動靈活、智能控制、操作簡便等特點，同時它價格低廉、性價比高，娛樂性和適用性增強，彌補了傳統(tǒng)觀車輛的體積大、功耗多,不適于單人使用的缺點。兩輪自平衡車適用范圍更廣，市場需求大，具有很強的市場推廣價值和市場潛力。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡電動車，環(huán)保，結(jié)構(gòu)設(shè)計，陀螺儀，控制電TwobalancedcardesignAbstract:Two-wheeledself-balancingtwo-wheeledvehiclecombinesacoaxial,independentdrive,suspensionstructureandtheinvertedpendulummodelofself-balancingprinciple,undermicroprocessorcontrolisalwaysabalaneedsetofintelligentandentertainmentinoneofthenewmeansoftransport.Thevehiclechassis,powermeans,controlmeansandsteeringcomponents.Chassissunkensuspensionstructure,reducingtheuser'scenterofgravityofthebodyandreducesthebalaneecontroldifficulty,weakentheimpactoftheuseofdamperstoimprovedrivingcomfort;controlledinpartbyagyroscopeandaccelerometersensormodulestatusmonitoringbodyobtainedaccurateandstablemeasurementdata.Real-timeprocessingwhilethemicroprocessorstatusdata,andthusthemotorrotationiscontrolledbythedrivemoduleinordertomaintainthebalanceofthevehiclebody;heightadjustablesteeringlevercanfoldtoaccommodateusersofdifferentheightsandeasytransportandstorage;usingbatteriesasapowerandenergy,whenthevehicledecelerationordownhillcanbeautomaticallysentbackmoreenergysavingandenvironmentalprotection.Twoself-balancingtourbusbasicdesignphilosophyisentertainment,economic,safeandconvenient.Thesportscarhasaflexible,intelligentcontrol,simpleoperation,butitisinexpensive,cost-effective,entertainmentandfitnessenhancement,makeupthetraditionaltouristvehiclesbulky,powerconsumptionandmoresuitableforsingleuseshortcomings.Two-wheeledself-balancingvehiclesuitableforawiderrangeofsightseeing,marketdemand,withstrongmarketingvalueandmarketpotential.Keywords:Twoself-balancingelectricvehicle,environmental,structuraldesign,Gyro,controlcircuit.TOC\o"1-5"\h\z第一章緒論 錯誤！未定義書簽。1.1課題研究的背景及意義 41.1.1兩輪自平衡車的研究背景 41.1.2研究意義 51.2兩輪自平衡車在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 51.2.1國外研究狀況 51.2.2國內(nèi)研究狀況 71.3自平衡車主要完成的內(nèi)容結(jié)構(gòu) 8第二章總體設(shè)計 82.1設(shè)計目標(biāo) 82.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 92.3工作原理 9第三章機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 113.1車身 113.1.1懸架的結(jié)構(gòu) 123.1.2車輪的結(jié)構(gòu) 14惰輪 153.1.4輪軸的結(jié)構(gòu) 153.1.5配電箱 163.2動力裝置 163.3轉(zhuǎn)向控制裝置 183.4兩輪平衡車的裝配 193.5本章小結(jié) 19第四章控制系統(tǒng) 194.1兩輪平衡車硬件系統(tǒng)設(shè)計 194.1.1整體電路的設(shè)計 194.1.2單片機 204.1.3傳感器模塊 214.1.4無刷直流電機驅(qū)動控制電路 224.1.5電源模塊驅(qū)動電路 234.1.6轉(zhuǎn)向控制運算模塊 244.2兩輪平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計 24A/D模塊 24PWM模塊 24PID控制器 254.2.4平衡車控制程序 26第五章結(jié)論 27附錄 27參考文獻 35謝辭 35第一章緒論在研究兩輪自平衡車技術(shù)中主要涵蓋了機械和電子兩大系統(tǒng)技術(shù)，機械系統(tǒng)中研究的是各個機構(gòu)的特點，機構(gòu)的分析以及所研究機構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域所發(fā)揮的功能等。而電子系統(tǒng)中要完成的是對整個機構(gòu)系統(tǒng)的精確地控制、調(diào)節(jié)及有關(guān)信息的反饋。目前而言，自平衡車的應(yīng)用范圍很小，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，但還有待于進一步的發(fā)展優(yōu)化，以便應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。圖1.市場上的兩輪自平衡代步車1.1課題研究的背景及意義1.1.1兩輪自平衡車的研究背景隨著社會的不斷發(fā)展，能源消耗，環(huán)境污染，交通擁擠，生活空間狹小的問題不斷出現(xiàn)，個人認(rèn)為解決這些迫在眉睫的問題，也需要我們貢獻自己的一點力量。目前市場上出現(xiàn)了兩輪自平衡代步車（圖1），因其技術(shù)含量較高，占地面積小，靈活性和路面通過性強，非常適用于大型商場、機場、展覽館、博物館、體育館、廣場等室內(nèi)外場所工作人員、購物者、觀眾的代步工具。本文將對相關(guān)方面的技術(shù)作進一步的研究。1.1.2研究意義兩輪自平衡車運動靈活、智能控制、操作簡便，適于單人使用且適用范圍廣,增加了人們對外出活動的興趣，減少人們的運動強度，解決人們時間不充足的問題。本產(chǎn)品結(jié)合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機械結(jié)構(gòu)和智能化的控制系統(tǒng)特點，其研制意義可歸納為：該車作為載人行駛的代步工具，可根據(jù)需要將該車改造為大型商場、機場、展覽館、博物館、體育館、廣場等室內(nèi)外場所工作人員、購物者、觀眾的代步工具，因而具有一定的使用價值和市場價值。自平衡系統(tǒng)自身的特點和倒立擺一樣，可以作為一類研究對象進行各種控制算法的研究與驗證，用于檢驗新型控制技術(shù)的正確性，也可在教學(xué)中作為典型實例進行講授。以本產(chǎn)品為基礎(chǔ)，改造成適合工業(yè)或民用的兩輪移動機器人。兩輪移動機器人擁有傳統(tǒng)輪式移動機器人的靈活性、機動性、適應(yīng)性等特點，是智能機器人領(lǐng)域中一個嶄新的研究方向。采用電能作為動力能源，節(jié)能環(huán)保，有助于緩解環(huán)境問題、能源問題。該平衡車操作簡單，智能控制，性價比高，適用范圍廣，有一定的市場潛力。1.2兩輪自平衡車在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究狀況兩輪自平衡小車的相關(guān)研究始于1987年，兩輪自平衡系統(tǒng)首先是由日本學(xué)者由日本東京電信大學(xué)自動化系的山藤一雄教授提出類似的設(shè)計思想。 1986年，該國的KazuoYamafuji教授突發(fā)奇想設(shè)計了一個兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個模型中，電機和控制芯片設(shè)計在上部，靠很多個陀螺儀來監(jiān)測模型的姿態(tài)。受當(dāng)時計算機和傳感器技術(shù)的限制，KazuoYamafuji的兩輪自平衡模型只能沿著事先設(shè)置好的軌道行駛。而無法完成預(yù)期的目標(biāo)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，取得了一定的成果。美國發(fā)明家DeanKaman于1995年開始秘密研制，直到2001年12月才將這項高度機密的新發(fā)明公布出來，2003年3月正式在美國上市（圖2）。它的工作原理主要是建立在一種與人體的平衡能力相似的，被稱為“動態(tài)穩(wěn)定” 主要通過內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器以每秒100次的頻率來判斷車體姿態(tài)，測出駕駛者重心，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過驅(qū)動馬達來做到動態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動保持平衡。假設(shè)我們以站在車上的駕駛?cè)伺c車輛的總體重心縱軸作為參考線。當(dāng)這條軸線發(fā)生偏折時，系統(tǒng)會自動平衡。

圖2美國研制的平衡機構(gòu)當(dāng)今時代不少國家都對兩輪自平衡系統(tǒng)的研究有了更深入的研究。 2002年，美國的DanPiponi設(shè)計的機器人只適用于平坦路線。同年，瑞士以 FelixGrasser為首的一個研究小組制作設(shè)計了一個鋼結(jié)構(gòu)的可以遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡機器人，實驗結(jié)果令人滿意。美國科學(xué)家DavidP.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機器人（圖3）。比如通過控制可實現(xiàn)其本身的零半徑回轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)更為復(fù)雜的運行環(huán)境。

圖3兩輪自平衡機器人2005年，自行車系統(tǒng)的平衡控制理論取得突破。 日本的村田制作所向公眾展示了其最新研究。隨后的幾年時間里兩輪自平衡車無論是其控制系統(tǒng)還是機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面都取得了長足的發(fā)展。1.2.2國內(nèi)研究狀況國內(nèi)對兩輪自平衡系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了很大的進步。 2003年臺灣國立中央大學(xué)也制作了一個兩輪自平衡模型，并通過模糊控制理論對其進行了控制，可實現(xiàn)相關(guān)功能的應(yīng)用。2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個研究小組研制出一個兩輪自平衡機器人的樣機（圖4）。依靠的基本原理是陀螺儀來檢測車體的姿勢，通過電動機來驅(qū)動小車的運行。圖4兩輪自平衡機器人的樣機近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對兩輪自平衡小車研究的深入 ,國內(nèi)平衡車機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國在這領(lǐng)域的研究也取得不斷地發(fā)展。設(shè)計兩輪平衡車主要克服的問題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇等方面突出其體積小，節(jié)能減排的理念。而平衡車平衡控制的實現(xiàn)，依靠控制系統(tǒng)中硬件部分控制電路設(shè)計，傳感器模塊中參與信號參數(shù)檢測的陀螺儀及加速度計及軟件部分的控制器。1.3本文主要完成的內(nèi)容結(jié)構(gòu)以機械設(shè)計理論為基礎(chǔ)，參閱機械專業(yè)相關(guān)文獻，提出兩輪自平衡電動小車的整車結(jié)構(gòu)方案，并對其中的某些關(guān)鍵零部件進行設(shè)計和分析。全文共分為六章第一章為緒論，闡述了兩輪自平衡小車的課題背景和研究意義，介紹了國內(nèi)外平衡小車的發(fā)展現(xiàn)狀，并對本文的研究問題給予了說明。第二章為總體的設(shè)計，包括設(shè)計目標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡車的工作原理。第三章為機構(gòu)設(shè)計主要包括車身，車架結(jié)構(gòu)，懸架的結(jié)構(gòu)，配電箱設(shè)計，動力裝置，控制裝置，轉(zhuǎn)向裝置，以及對本章的小結(jié)。并借助機械設(shè)計軟件繪出具體模型。第四章為控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要包括單片機，傳感器，電動機驅(qū)動器，控制程序及控制電路等。第五章為研究課題的結(jié)論。第二章總體設(shè)計2.1設(shè)計目標(biāo)兩輪自平衡小車的設(shè)計主要分為兩個大部分。一是機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)。機械部分包括：車身、車輪、車身上支架、懸架、軸承、連桿等機械結(jié)構(gòu)，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺?？刂葡到y(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括直流電機、驅(qū)動器、傳感器、單片機、電源、電源轉(zhuǎn)換電路、處理器以及外圍擴展電路等。軟件系統(tǒng)為控制程序和控制電路。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計兩輪自平衡小車整車機械結(jié)構(gòu)包括車身、動力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置四大部分。33圖5小車結(jié)構(gòu)圖6車身部分結(jié)構(gòu)1車把2伸縮調(diào)節(jié)桿3伸縮調(diào)節(jié)器4儲物籃5電位器6腳踏板7擋泥板8車輪9車身骨架10電機11螺栓12車架-懸架連接器13彈簧懸架2.3自平衡車的工作原理兩輪自平衡電動車的平衡原理來自于倒立擺模型，由于兩輪自平衡電動車的雙輪平行布置在車體的左右兩端，且載人時重心在雙輪軸心正上方，所以它相當(dāng)于一個倒立擺，是不穩(wěn)定體，車體總是要向前或向后傾倒。當(dāng)檢測到車體向前傾斜時，內(nèi)置的精密電子陀螺儀來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密 且高速的中央微處理器計算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅ㄟ^讓電機加速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生一個向前的加速度，這個加速度使得在雙輪軸心上方的重心向后擺動，這就抵消了車體的向前傾斜，使車體的重心回到兩輪中心軸的正上方，從而在豎直方向保持平衡。這一平衡是動態(tài)的，為保持車體豎直不倒，必須不斷檢測車體傾斜姿態(tài)，根據(jù)傾斜狀況驅(qū)動電機前進或后退，來克服重心偏移現(xiàn)象，保持車體平衡。假設(shè)我們以站在車上的駕駛?cè)伺c車輛的總體重心縱軸作為參考線。當(dāng)這條軸往前傾斜時，平衡車車身內(nèi)的內(nèi)置電動馬達會產(chǎn)生往前的力量，一方面平衡人與車往前傾倒的扭矩；一方面產(chǎn)生讓車輛前進的加速度。相反的，當(dāng)陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹匦耐髢A時，也會產(chǎn)生向后的力量達到平衡效果。這就是自平衡車系統(tǒng)所達到的的“動態(tài)平衡”。而方向控制上駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾，平衡車就會根據(jù)傾斜的方向前進或后退。而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。原則上，只要平衡車有正確打開電源且能保持足夠運作的電力，車上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M行平衡的滑板車等交通工具大大不同。兩輪自平衡車平衡條件圖7兩輪自平衡系統(tǒng)受力分析上圖為自平衡車在坡度為的路面上行駛的動力學(xué)分析模型。假設(shè)某時刻車身相對

于豎直方向有一傾角=且在車輪上施加一順時針方向的力矩 m=m°,使車輪沿坡面向上加速滾動，由于慣性，車身將有可能不繞車軸A發(fā)生轉(zhuǎn)動，而只發(fā)生平動。此時，路面對車輪的靜摩擦力f0為臨界驅(qū)動力。忽略空氣阻力和車輪滾動阻力，可以得到M0和f0具有以下關(guān)系:M0=[fosinvM0=[fosinv2cos(v :)m2g]R(1)式中：M0為臨界驅(qū)動力矩式中：M0為臨界驅(qū)動力矩；f0為臨界驅(qū)動力；m2為車輪質(zhì)量；R為車輪半徑對于=0時的臨界驅(qū)動力f0,其表達式:f0=(mim2)gtanv(2)式中：mi為車身(包括駕駛員)質(zhì)量。當(dāng)："0時f0具有更一般的形式:f0=(mim2f0=(mim2)gsinsinvcos(v:)(3)顯然式(2)是式(3)在，=0時的特殊情況,即(3)對=0的情況也適合將式⑶代入(1),得:TOC\o"1-5"\h\z"日 3i甘MowgRIsing 羅]m2gR[sin 弓]cos但+9) 2cos(日+W) ⑷若使M>M0,車身將繞輪軸A逆時針轉(zhuǎn)動，最終回到豎直位置第三章機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3.1車身圖8車身結(jié)構(gòu)車身機構(gòu)的設(shè)計中車架由方管（型號 Q23550-50（1.0-5.0））焊接而成,車架承受車身（含駕駛者）重力和懸架彈簧的支反力。和懸架一樣，可以認(rèn)為4個支承點是固定的，車架只承受來自車身的壓力。主要基于該車身結(jié)構(gòu)能有一定的承載能力，保證機構(gòu)的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)強度大的，以便節(jié)省材料。3.1.1懸架懸架采用鋼板（汽車用鋼板（GB3273-89,厚度2.5mm）和槽鋼（5#,高度腿寬腰高=50324.4）焊接而成。由于車身對懸架的壓力是一個激振載荷 （該激振頻率受懸架彈簧參數(shù)決定）,因此懸架的自振頻率必須和該激振頻率錯開，以免發(fā)生共振。忽略對懸架力學(xué)性能影響不大的彈簧導(dǎo)向柱和一些圓角。懸架是平衡車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱【】 ，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證車能平順地行駛。懸架是平衡車中的一個重要組成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，關(guān)系到平衡車的多種使用性能。典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)以及減震器等組成，個別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。圖9汽車懸架圖考慮到自平衡電動車的體積，懸架設(shè)計時體積不宜過大，要做到簡單輕便。

圖10兩種不同的懸架設(shè)計圖懸架彈簧是懸架裝置中最重要的部件，其剛度不能過大也不能過小。剛度過大則懸架柔度不夠，起不到緩沖作用；如果剛度過小，則振幅會明顯變大，造成行車過程中的劇烈顛簸。故有必要對其進行詳細(xì)設(shè)計。這里根據(jù)實際情況，要求懸架彈簧外徑滿足即可，根據(jù)工作載荷范圍（300N—1300N）,工作行程（定為15mm）彈簧外徑（D乞45mm可以得出每個懸架彈簧的主要參數(shù)，設(shè)計結(jié)果如表2所示表1懸架彈簧主要參數(shù)15.81000415.81000410025=22.5(Hz)也就是說，當(dāng)車身在垂直方向上有震動后的頻率發(fā)生。,懸架彈簧對懸架的反力將以也就是說，當(dāng)車身在垂直方向上有震動后的頻率發(fā)生。,懸架彈簧對懸架的反力將以22.5Hz從以上的不同的懸架形式中，根據(jù)研究分析可設(shè)計為材料中徑/mm有效圈數(shù)節(jié)距/mm極限載荷/N剛度/(N*mm-1)①4C級碳素402.514.541715.8圖11懸架機構(gòu)3.1.2車輪車輪有兩個作用，首先它要承受車身載荷，因此強度要足夠 ；其次，車輪圖11懸架機構(gòu)3.1.2車輪車輪有兩個作用，首先它要承受車身載荷，因此強度要足夠 ；其次，車輪內(nèi)部安裝有減速器等零部件，相當(dāng)于一個容器。對車輪提出以下要求 ：①強度足夠；②質(zhì)量盡可能?。虎劢Y(jié)構(gòu)盡可能簡單，易于制造。齒圏安裝面外側(cè)軸承孔凰定瀧槽圖12車輪結(jié)構(gòu)S3J摩托車用輪胎規(guī)格'規(guī)格(inch}輪網(wǎng)型號(inch)標(biāo)稱胎壓(KPa)蠱犬負(fù)荷〔K￡)層級2J5-17LS5-1728017562.75-18LS5-1828063W-122J0-122501756圖13摩托車輪胎由上表可知，輪惘尺寸為：輪惘寬度x輪輛外徑=1.85inchx18inch=47mmx457mm車輪的輪毅的外徑由決定，輪毅的外徑等于齒圈尺寸這個數(shù)字加上兩倍的安裝齒圈處的厚度。車輪的輪毅的長度由輪軸長度決定。至于輪輻，它的形狀比較自由，只要滿足強度和剛度要求就可以了。3.1.3惰輪體積較大的惰輪采用玻璃纖維纖增強型PA66制造，PA66強度中等，因具有良好的自潤滑性而廣泛用在潤滑條件不良或不便潤滑的中輕載傳動場合 ，加入玻璃纖維后強度得到顯著提高?？紤]到 PA66在高溫時強度急劇下降，故與之嚙合的齒圈和中心小齒輪均采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料制造。為保證強度 ，在分析時必須使用最惡劣的工作狀態(tài).按照設(shè)計要求和初期設(shè)計結(jié)果，將mi=10025=125(kg)m2=3.62=7.2(kg)R=(182.752)0.0254/2=0.298 (m)/max=5;^max=10代入式⑷解得：M0max=99.5(N?m)惰輪驅(qū)動2只車輪,而齒圈分度圓半徑為d/2=0.103m,故每只惰輪與齒圈間的圓周作用力為：99.5/60.10399.5/60.103=161(N)3.1.4輪軸輪軸是車輪的中心部件，它通過一些軸承、鍵等與車輪內(nèi)的其它零部件構(gòu)成連接。負(fù)載產(chǎn)生的重力對車輪的壓力比較大，輪軸承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，輪軸不能做得過粗，否則將不可避免地增加中心小齒輪的分度圓直徑，這對提高傳動比是極為不利的(輪殼尺寸有限);另一方面，輪軸也不能做得細(xì),因為太細(xì)一方面會使內(nèi)側(cè)軸承過小，另一方面會降低軸右端鍵的強度。我們在定子右側(cè)設(shè)計一凸臺。圖14定子右端凸輪為簡化問題，按全部載荷作用于齒面上部來計算齒根的彎曲強度。 限制惰輪中央的所有自由度，將載荷換算為壓強，施加在節(jié)圓與齒頂圓之間的齒面上。從惰輪的受力分析經(jīng)驗結(jié)果可以得出，惰輪輪齒會發(fā)生變形，最大位移發(fā)生在為齒頂部位，惰輪最大等效應(yīng)力發(fā)生在齒根部位，故惰輪保證該部位的彎曲強度符合要求即可。3.1.5配電箱配電箱是按電氣接線要求將開關(guān)設(shè)備、測量儀表、保護電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構(gòu)成低壓配電裝置。正常運行時可借助手動或自動開關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐贰９收匣虿徽＿\行時借助保護電器切斷電路或報警。借測量儀表可顯示運行中的各種參數(shù)，還可對某些電氣參數(shù)進行調(diào)整，對偏離正常工作狀態(tài)進行提示或發(fā)出信號。（1） 應(yīng)考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問題。（2） 配電箱的體積應(yīng)盡可能的做大，可放置更多的蓄電池。（3） 配電箱離地面的位置不宜太低，防止摩擦，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3.2動力裝置本車采用無刷直流電機。無刷直流電機具有效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，操作性能好，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，免維護或少維護，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點。電機輸出動力后經(jīng)減速器降速來提高輸出扭矩同時降低了負(fù)載的慣量，更有利于維持車體的平衡。簡單的講，一般的永磁式直流有刷電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在其氣隙中產(chǎn)生磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生反映磁場。由于電刷的換向作用,使得這兩個磁場的方向在直流電動機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)無電刷換向的目的，直流無刷電動機一般將其電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反。它采用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路實現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達到換相的目的，從而使電機工作。圖15無刷直流電機電源采用鉛酸蓄電池。雖然鉛酸蓄電池體積偏大，重量較重，但具有技術(shù)成熟、價格低廉、安全性高、較高的容量，較大的放電能力并可以免維護使用等突出優(yōu)點。兩輪自平衡電動車自身重量小且承載量不會超過 1個人，速度限制在15km/h以下也不用于遠(yuǎn)距離行駛，因此采用2節(jié)12V電動自行車鉛酸蓄電池串聯(lián)組成24V供電電源.既滿足使用要求又價格低廉，購買和更換都很方便。圖16鉛酸蓄電池3.3轉(zhuǎn)向控制裝置

菇向角位移傳感軽安裝儘置緊定套推力軸承?套簡菇向角位移傳感軽安裝儘置緊定套推力軸承?下主體如強管周部剖切視圖_檔銷一A援片復(fù)位彈簧角位移傳感耳 下主體固定塊圖17操縱桿主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳感器安裝位置固定塊圖18平衡車結(jié)構(gòu)圖18平衡車結(jié)構(gòu)3.4兩輪平衡車的裝配由上述分析過程可知，該平衡車包括：兩個車輪，兩個懸架，車身（包括配電箱）及操縱桿。

結(jié)構(gòu)連接部分為懸架和車輪之間靠4個螺釘連接且可以相互轉(zhuǎn)動；車身通過連接構(gòu)件被螺母壓緊在懸架彈簧上；操縱桿則是靠2只螺栓和車架固定。在操縱桿與車身連接的部分用防塵罩罩住，目的為了防止該結(jié)構(gòu)生銹。蝎栓蝎栓圖19兩輪平衡車裝配圖3.5本章小結(jié)本章的研究內(nèi)容主要包括了自平衡車系統(tǒng)中的機械結(jié)構(gòu)的研究，有車身的設(shè)計，談到了懸架的設(shè)計優(yōu)點及其作用，還包括了車輪，配電箱的注意事項?？刂妻D(zhuǎn)向裝置的操縱桿的分析了解以及動力裝置電機電源的選擇。第四章 控制系統(tǒng)4.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計4.1.1整體電路的設(shè)計系統(tǒng)的輸入輸出包括：（1） AD轉(zhuǎn)換接口（至少4路）（2） pwm接口，控制左右兩個電極雙方向運動，需要四路接口（3） 定時器接口（2路），測量兩個電機的轉(zhuǎn)速，需要兩個定時器脈沖輸入端口（4） 通訊接口（備用）（5） 10接口（備用）4到8路輸入輸出，應(yīng)用車模運行狀態(tài)顯示。10 接口可控制以下的模塊：單片機；陀螺儀及加速度計主要實現(xiàn)姿態(tài)傳感信號；電機驅(qū)動可驅(qū)動兩個電極運行電路；電源模塊中電壓的轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓

圖20硬件設(shè)計總體框圖4.1.2單片機本課題所使用的單片機為MC9S12XS128是一款專門針對汽車電子市場的高性能16位單片機，具有速度快、功能強、成本低、功耗低等特點。其總線速度高達40MHz包括128KBFLASH和8KBDATAFLAS用于實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲，均帶有錯誤校正碼（ECC）;單片機最小系統(tǒng)如下圖所示；可配置8位、10或12位的ADC3微秒的轉(zhuǎn)換時間；內(nèi)嵌MACA模塊用于CAN節(jié)點應(yīng)用，內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強型SCI和SPI模塊；是含有16位計數(shù)器；出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能，實現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能；通道的pwm異于實現(xiàn)電機的控制?？梢詼p緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。圖21單片機實物單片機的主要性能：最高總線傳輸速度可由25MHZ!升到50MHZ;有存儲保護設(shè)置、定時器功能增強；電源供電簡化等。4.1.3傳感器模塊自平衡兩輪觀光車平衡運算的最主要參數(shù)是車身的傾斜度。同時還需要傾斜角速度作為運算參數(shù)，利用加速度計與陀螺儀的配合使用作為傳感器模塊。陀螺儀是用來測量角速度信號的，通過對角速度積分，即可得到角度值。陀螺儀動態(tài)性能極佳，不易受被測體速度和加速度影響但它容易產(chǎn)生漂移誤差，而很小的漂移經(jīng)過積分都會得到很大的角度誤差。陀螺儀的漂移問題第一類：有規(guī)律的漂移（1） 與加速度無關(guān)的漂移：主要由電磁力矩、彈性力矩以及工藝等因素引起；（2） 與加速度成正比的漂移：主要由質(zhì)量不平衡等因素引起。所謂質(zhì)量不平衡，是指陀螺組件的質(zhì)量中心與支承中心不重合。例如，陀螺組件靜平衡不精確或材料熱膨脹系數(shù)不匹配，都會造成陀螺組件的質(zhì)量中心偏離支承中心，從而形成質(zhì)量不平衡力矩；（3）與加速度平方成正比的漂移：主要由陀螺儀結(jié)構(gòu)中的彈性形變等因素引起。第二類隨機性質(zhì)的漂移陀螺隨機性質(zhì)的漂移主要源自于由摩擦、溫度梯度等因素引起的干擾力矩。這種干擾力矩沒有確定的規(guī)律性，無法用簡單的方法進行補償。陀螺隨機漂移是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要誤差源之一，近代高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)臑V波，以使該

項漂移引起的導(dǎo)航定位誤差減至最小。因此陀螺儀不適合單獨使用。加速度計是一種利用檢測質(zhì)量塊的慣性力來測量載體加速度的敏感裝置，分為線加速度計和角加速度計。加速度計通過測量重力加速度的垂直分量可以給出垂直方向的傾斜角度，加速度計靜態(tài)響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確提供靜態(tài)的角度，但受動態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動態(tài)角度運動?？梢姡瑔为毷褂猛勇輧x或加速度計都不理想，因此用陀螺儀補償加速度計的動態(tài)誤差，用加速度計補償陀螺儀的漂移誤差，從而可獲得既具有高動態(tài)響應(yīng)又精確穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。圖22陀螺儀加速傳感器電路4.1.4無刷直流電機驅(qū)動控制電路由于車模具有兩個后輪驅(qū)動電機，因此需要兩組電機驅(qū)動橋電路。需要兩篇電機驅(qū)動專用芯片組成電機驅(qū)動電路。同時為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動電機的PWM波形采用了單極性的驅(qū)動方式。也就是在一個PWM周期內(nèi)，施加在電機上的電壓為一種電壓圖24雙極性PWM圖24雙極性PWM因此每一路電機為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個PWM信號。兩個電機總共需要4路PWM言號。具體的驅(qū)動電路：4.1.5電源模塊驅(qū)動電路?采用穩(wěn)壓芯片將電源電壓穩(wěn)壓到 5V后，給單片機系統(tǒng)電路、路徑識別的光電傳感器電路、速度檢測旋轉(zhuǎn)編碼器電路和驅(qū)動芯片。.經(jīng)過一個二極管降至6.5V左右后供給轉(zhuǎn)向伺服電機。?能夠穩(wěn)定的給車模提供穩(wěn)定足夠的電量。MCVI圖26電源模塊驅(qū)動電路4.1.6轉(zhuǎn)向控制運算模塊運算模塊包括車體狀態(tài)運算和平衡控制運算部分。車體狀態(tài)運算主要是將各傳感器測量的數(shù)據(jù)加以融合得出車體傾斜角度值以及行車速度等；平衡控制運算部分根據(jù)保持平衡需要的行車速度和加速度或者轉(zhuǎn)彎所需要的左右電機速度變化值，向電機控制驅(qū)動模塊發(fā)送控制指令。運算模塊主要負(fù)責(zé)計算車體狀態(tài)數(shù)據(jù)，向控制模塊發(fā)出電機加速、減速及正反轉(zhuǎn)等速度控制信號，接收電機信號進行車速度計算并通過串口向發(fā)送車速數(shù)據(jù)以供存儲和分析。并且接收車體平衡姿態(tài)數(shù)據(jù)進行自平衡運算，運算模塊用C語言編程。4.2兩輪平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計421A/D模塊A/D轉(zhuǎn)換原理模擬信號依次通過抽樣和保持（S/H）電路和模擬轉(zhuǎn)換器（A/D）后轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。抽樣和保持電路以均勻間隔對模擬信號進行抽樣，并且在每個抽樣運算后在足夠的時間內(nèi)保持抽樣值恒定，以保證輸出值可以被 A/D轉(zhuǎn)換器精確轉(zhuǎn)換。下一步是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將抽樣和保持電路的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出通常表示為二進制編碼的形式。PWM模塊PWM調(diào)制波有8個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個PWM輸出通道都能調(diào)制出占空比從0—100%變化的波形。PWM的主要特點：1、 它有8個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。2、 每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。3每個通道都可編程。PID控制器測量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

的響應(yīng)。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、 積分、微分控制,簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器具備結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、操作方便，工作性能高的特點。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為u(t)=Kp|e(t)+*[e(tjdt+TD^d^"（式一）- T10 dt一（式一）其中Kp為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)PID控制器具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)范圍廣、對模型依賴少等特點，因此使用PID控制器實現(xiàn)兩輪自平衡車的控制是可行的。

PID控制器設(shè)計由小車靜止時其運動方程可得到系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù):。（S） 1Hs二X（s）f_g(式二)此時系統(tǒng)具有兩個極點:sp其中一個極點位于S平面的右半平面。根據(jù)l(式二)此時系統(tǒng)具有兩個極點:sp其中一個極點位于S平面的右半平面。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此小車在靜止?fàn)顟B(tài)不能保持平衡。由小車受力分析可知小車平衡的條件是提供額外的回復(fù)力及阻尼，其來源為車輪與地面的摩擦力。由式a二mk廣mk^可知，車輪提供的加速度的大小是根據(jù)角度二及角速度丁的反饋得出，因此需要在控制系統(tǒng)中引入角度二及角速度丁構(gòu)成比例(P)微分(D)反饋環(huán)節(jié)，如圖所示。圖27加入比例微分環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖加入比例微分反饋后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:0S_ 1 Xs s2&ski_g(式三)ll(式三)我-*2-41匕_gSp= 此時，系統(tǒng)的兩個極點為 21 。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知,系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于s平面的左半平面。要滿足這一點，需要kl>g,k2>0。由此可得出結(jié)論，但kl>g,k2>0時，小車可以保持平衡，這也與上文中小車受力分析的結(jié)果相符。在反饋環(huán)節(jié)中，與角度二成比例的控制量稱為比例控制；與角速度成比例的控制量稱為微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)k1，k2分別稱為比例和微分控制參數(shù)。其中微分參數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制自平衡車振蕩?？刂葡到y(tǒng)的輸出量為電機控制量，因而小車平衡控制的PID控制器的輸出方程可寫為：OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot （式四）式四中，OUT_Motor為PID控制輸出量，Angle為反饋傾角值，Angle_dot為反饋角速度值，Kp和Kd分別為比例系數(shù)及微分系數(shù)。4.2.4平衡車控制程序編寫的程序可在vc6.0下運行！輸入e表示輸出誤差，ec表示誤差變化率，經(jīng)過測試具有很好的控制效果，對于非線性系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型難以建立的系統(tǒng)來說有更好的控制效果！程序見附錄第六章結(jié)論本款自平衡觀光車立足于便攜性、有一定的娛樂性、經(jīng)濟性與可持續(xù)使用性及節(jié)能環(huán)保的基本理念，主要的場所是針對各種游樂場，展會，博物館等場所而設(shè)計，其它場所也可使用。本車采用電力驅(qū)動節(jié)能環(huán)保，操作簡單適合各種人群使用，智能化的控制還增加了娛樂性。此車操縱桿可以折疊，折疊后體積小，便于存放和運輸。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，外形美觀，定位準(zhǔn)確，能夠迎合市場的需求，有較好的市場前景。該研究課題包括以下優(yōu)點：操作簡單，運動靈活，可零半徑轉(zhuǎn)向，適于小空間范圍使用；車身采用懸架裝置，可以提高駕駛舒適性和削弱沖擊，并有利于延長機件的使用壽命；車身設(shè)計成下沉式（U型），降低了車身和駕駛者的重心，減輕平衡控制難度；能夠把剎車、下坡時車體的能量轉(zhuǎn)化為電能給電池充電，提高了電池的使用時間；無剎車系統(tǒng)，由控制部分自動給出正反轉(zhuǎn)力矩，從而達到快速穩(wěn)定的剎車。缺點包括：①兩輪平衡車一種本質(zhì)不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)。需要不斷調(diào)整自身角度，才實現(xiàn)動態(tài)平

衡，就要做好控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計。②相比較于汽車，兩輪平衡車的使用范圍有一定的局限性。課題研究兩輪平衡小車的機械結(jié)構(gòu)及相關(guān)的元件控制系統(tǒng)。通過自己的理論分析能對兩輪平衡車有一個細(xì)致全面的認(rèn)識，詳細(xì)的了解了平衡車的結(jié)構(gòu)特點，及每一部分所發(fā)揮的工作性能。通過自己的參數(shù)設(shè)計來模擬平衡車相關(guān)的試驗，完成平衡車的模擬裝配配。附錄#include<stdio.h>#include"math.h"TOC\o"1-5"\h\z#definePMAX 100#definePMIN -100#defineDMAX 100/*語言值的滿幅值/*語言值的滿幅值*/#defineFMAX 100intPFF[4]={0,12,24,48};/*輸入量D語言值特征點*/intDFF[4]={0,16,32,64};/*輸出量U語言值特征點*/intUFF[7]={0,15,30,45,60,75,90};/*采用了調(diào)整因子的規(guī)則表，大誤差時偏重誤差，小誤差時偏重誤差變化*/TOC\o"1-5"\h\z/*a0=0.3,a1=0.55,a2=0.74,a3=0.89 */intrule[7][7]={//誤差變化率-3,-2,-1,0,1,2,3 〃誤差{-6,-6,-6,-5,-5,-5,-4,}, // -3{-5,-4,-4,-3,-2,-2,-1,}, // -2{-4,-3,-2,-1,0,1,2,}, // -1{-4,-3,-1,0,1,3,4,}, // 0{-2,-1,0,1,2,3,4,}, // 1{1,2,2,3,4,4,5,}, // 2{4,5,5,5,6,6,6}}; // 3******************************************************int Fuzzy(intP,intD)/*模糊運算引擎*/{intU; /*偏差,偏差微分以及輸出值的精確量*/unsignedintPF[2],DF[2],UF[4]; /*偏差,偏差微分以及輸出值的隸屬度*/intPn,Dn,Un[4];longtemp1,temp2;/*隸屬度的確定*//*根據(jù)PD的指定語言值獲得有效隸屬度*/if(P>-PFF[3]&&P<PFF[3]){if(P<=-PFF[2]){Pn=-2;PF[0]=FMAX*((float)(-PFF[2]-P)/(PFF[3]-PFF[2]));}elseif(P<=-PFF[1]){Pn=-1;PF[0]=FMAX*((float)(-PFF[1]-P)/(PFF[2]-PFF[1]));}elseif(P<=PFF[0]){Pn=0;PF[0]=FMAX*((float)(-PFF[0]-P)/(PFF[1]-PFF[0]));}elseif(P<=PFF[1]){Pn=1;PF[0]=FMAX*((float)(PFF[1]-P)/(PFF[1]-PFF[0]));}elseif(P<=PFF[2]){Pn=2;PF[0]=FMAX*((float)(PFF[2]-P)/(PFF[2]-PFF[1]));}elseif(P<=PFF[3]){Pn=3;PF[0]=FMAX*((float)(PFF[3]-P)/(PFF[3]-PFF[2]));}}elseif(P<=-PFF[3]){Pn=-2;PF[0]=FMAX;}elseif(P>=PFF[3]){Pn=3; PF[0]=0;}PF[1]=FMAX-PF[0];if(D>-DFF[3]&&D<DFF[3]){if(D<=-DFF[2]){Dn二-2;DF[0]=FMAX*((float)(-DFF[2]-D)/(DFF[3]-DFF[2]));}elseif(D<=-DFF[1]){Dn=-1;DF[0]=FMAX*((float)(-DFF[1]-D)/(DFF[2]-DFF[1]));}elseif(D<=DFF[0]){Dn=O;DF[0]=FMAX*((float)(-DFF[0]-D)/(DFF[1]-DFF[0]));}elseif(D<=DFF[1]){Dn=1;DF[0]=FMAX*((float)(DFF[1]-D)/(DFF[1]-DFF[0]));}elseif(D<=DFF[2]){Dn=2;DF[0]=FMAX*((float)(DFF[2]-D)/(DFF[2]-DFF[1]));}elseif(D<=DFF[3]){Dn=3;DF[0]=FMAX*((float)(DFF[3]-D)/(DFF[3]-DFF[2]));}}elseif(D<=-DFF[3]){Dn=-2;DF[0]=FMAX;}elseif(D>=DFF[3]){Dn=3;DF[0]=0;}DF[1]=FMAX-DF[0];/*使用誤差范圍優(yōu)化后的規(guī)則表rule[7][7]*//*輸出值使用13個隸屬函數(shù)沖心值由UFF[7]指定*//*一般都是四個規(guī)則有效*/Un[0]=rule[Pn-1+3][Dn-1+3];Un[1]=rule[Pn+3][Dn-1+3];Un[2]=rule[Pn-1+3][Dn+3];Un[3]=rule[Pn+3][Dn