兩輪平衡車的設計
摘 要
兩輪自平衡車結合了兩輪同軸、獨立驅動、懸架結構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、控制裝置和轉向裝置組成。
底盤采用下沉式的懸架結構，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)，進而由驅動模塊控制電機轉動以維持車體平衡；轉向操縱桿高度可調(diào)節(jié)亦可折疊，以適應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。
關鍵詞：兩輪自平衡電動車，環(huán)保， 結構設計，陀螺儀，控制電路。
第一章 緒論
在研究兩輪自平衡車技術中主要涵蓋了機械和電子兩大系統(tǒng)技術，機械系統(tǒng)中研究的是各個機構的特點，機構的分析以及所研究機構的應用領域所發(fā)揮的功能等。而電子系統(tǒng)中要完成的是對整個機構系統(tǒng)的精確地控制、調(diào)節(jié)及有關信息的反饋。目前而言，自平衡車的應用范圍很小，相關的技術已經(jīng)臻于成熟，但還有待于進一步的發(fā)展優(yōu)化，以便應用于更廣的領域。
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。本文將對相關方面的技術作進一步的研究。
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)品結合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機械結構和智能化的控制系統(tǒng)特點，其研制意義可歸納為：
①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。
②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的正確性，也可在教學中作為典型實例進行講授。
③以本產(chǎn)品為基礎，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、適應性等特點，是智能機器人領域中一個嶄新的研究方向。
④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。
⑤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研究始于1987年，兩輪自平衡系統(tǒng)首先是由日本學者
由日本東京電信大學自動化系的山藤一雄教授提出類似的設計思想。1986年，該國的Kazuo Yamafu ji教授突發(fā)奇想設計了一個兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個模型中，電機和控制芯片設計在上部，靠很多個陀螺儀來監(jiān)測模型的姿態(tài)。受當時計算機和傳感器技術的限制，Kazuo Yamafu ji的兩輪自平衡模型只能沿著事先設置好的軌道行駛。而無法完成預期的目標，但隨著研究的不斷深入和技術的不斷發(fā)展，取得了一定的成果。
美國發(fā)明家Dean Kaman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?shù)闹噶詈?，通過驅動馬達來做到動態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進行細微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動保持平衡。假設 我們以站在車上的駕駛人與車輛的總體重心縱軸作為參考線。當這條軸線發(fā)生偏折時，系統(tǒng)會自動平衡。
圖2美國研制的平衡機構
當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Dan Piponi設計的機器人只適用于平坦路線。同年，瑞士以Felix Grasser為首的一個研究小組制作設計了一個鋼結構的可以遠程控制的兩輪自平衡機器人，實驗結果令人滿意。美國科學家David P.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，可實現(xiàn)更為復雜的運行環(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)還是機械結構的優(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)相關功能的應用。2005年，哈爾濱工業(yè)大學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，通過電動機來驅動小車的運行。
圖4 兩輪自平衡機器人的樣機
近年來科學技術的不斷發(fā)展，隨著對兩輪自平衡小車研究的深入,國內(nèi)平衡車機械結構、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國在這領域的研究也取得不斷地發(fā)展。
設計兩輪平衡車主要克服的問題是其結構設計，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)容結構
以機械設計理論為基礎，參閱機械專業(yè)相關文獻，提出兩輪自平衡電動小車的整車結構方案，并對其中的某些關鍵零部件進行設計和分析。
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。
第二章為總體的設計，包括設計目標，總體結構設計，平衡車的工作原理。
第三章為機構設計主要包括車身，車架結構，懸架的結構，配電箱設計，動力裝置，控制裝置，轉向裝置，以及對本章的小結。并借助機械設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，電動機驅動器，控制程序及控制電路等。
第五章為研究課題的結論。
第二章 總體設計
2.1 設計目標
兩輪自平衡小車的設計主要分為兩個大部分。一是機械結構系統(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、連桿等機械結構，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺。控制系統(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、驅動器、傳感器、單片機、電源、電源轉換電路、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 總體結構設計
兩輪自平衡小車整車機械結構包括車身、動力裝置、控制裝置和轉向裝置四大部分。
圖5小車結構
圖6 車身部分結構
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?shù)闹噶詈螅ㄟ^讓電機加速旋轉來產(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。
假設我們以站在車上的駕駛人與車輛的總體重心縱軸作為參考線。當這條軸往前傾斜時，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，當陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛人的重心往后傾時，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”。而方向控制上駕駛人只要改變自己身體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。而速度則與駕駛人身體傾斜的程度呈正比。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，車上的人就不用擔心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛人自己進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分析模型。假設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, 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)生轉動, 而只發(fā)生平動。此時, 路面對車輪的靜摩擦力為臨界驅動力。 忽略空氣阻力和車輪滾動阻力, 可以得到和具有以下關系：
(1)
式中：為臨界驅動力矩;為臨界驅動力; 為車輪質(zhì)量; R為車輪半徑。
對于=0時的臨界驅動力, 其表達式：
（2）
式中: m1為車身(包括駕駛員)質(zhì)量。當時具有更一般的形式：
（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(3)代入(1), 得：
(4)
若使>, 車身將繞輪軸A逆時針轉動,最終回到豎直位置。
第三章 機械結構系統(tǒng)
3.1 車身
圖8 車身結構
車身機構的設計中車架由方管（型號Q235，50-50(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。主要基于該車身結構能有一定的承載能力，保證機構的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結構強度大的，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。忽略對懸架力學性能影響不大的彈簧導向柱和一些圓角。
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，關系到平衡車的多種使用性能。
典型的懸架結構由彈性元件、導向機構以及減震器等組成，個別結構則還有緩沖塊、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設計。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( D45mm)可以得出每個懸架彈簧的主要參數(shù)，設計結果如表2所示。
表 1 懸架彈簧主要參數(shù)
材料
中徑/mm
有效圈數(shù)
節(jié)距/mm
極限載荷/N
剛度/(N*mm- 1)
Ф4C級碳素
40
2. 5
14. 5
417
15. 8
也就是說，當車身在垂直方向上有震動后,懸架彈簧對懸架的反力將以22.5Hz的頻率發(fā)生。
從以上的不同的懸架形式中，根據(jù)研究分析可設計為
圖11懸架機構
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)量盡可能小;③結構盡可能簡單，易于制造。
圖12 車輪結構
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=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm
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). 按照設計要求和初期設計結果, 將
代入式(4)解得：
惰輪驅動2只車輪, 而齒圈分度圓半徑為, 故每只惰輪與齒圈間的圓周作用力為：
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)的其它零部件構成連接。負載產(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，因為太細一方面會使內(nèi)側軸承過小，另一方面會降低軸右端鍵的強度。我們在定子右側設計一凸臺。
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設備、測量儀表、保護電器和輔助設備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構成低壓配電裝置。正常運行時可借助手動或自動開關接通或分斷電路。故障或不正常運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）應考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問題。
（2）配電箱的體積應盡可能的做大，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)部結構。
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，啟動轉矩大，過載能力強，操作性能好，結構簡單、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)生最大轉矩而驅動電動機不停的旋轉。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，把永磁磁鋼放在轉子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結構剛好相反。它采用轉子位置傳感器代替電刷，依靠轉子位置傳感器檢測出轉子的位置信號，通過換相驅動電路實現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開關管的導通與關斷，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 轉向控制裝置
圖17操縱桿主體結構及內(nèi)部傳感器安裝位置
轉向操縱桿由兩個螺栓與車身連接，可以左右搖。采用旋轉變阻器作為轉角傳感器安裝在操作桿與車身的連接處，它直接輸出與操縱桿的轉角成正比的電壓值。行駛過程中運算模塊根據(jù)此電壓值控制向左或向右轉彎及轉彎角度。同時駕駛者身體的傾斜也提供一部分向心力，減小轉向阻力使轉向更容易。同時操縱桿高度可調(diào)節(jié)以適應不同高度時也可折疊以減小占用空間。
圖18平衡車結構
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。
結構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動；車身通過連接構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，目的為了防止該結構生銹。
圖19 兩輪平衡車裝配圖
3.5本章小結
本章的研究內(nèi)容主要包括了自平衡車系統(tǒng)中的機械結構的研究，有車身的設計，談到了懸架的設計優(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。
參考文獻
[1]. 張培仁, 屠運武等。 自平衡兩輪電動車: 中國, 1502513A[P]. 2004-6-9。
[2]. 周惠興, 趙建萍. 兩輪自平衡電動車[P]. 中國專利,2008-4-29。
[3]. 程剛, 屈勝利, 劉學超。兩輪自平衡小車可控角度的推導研究[J]. 伺服控制, 2008( 6): 51-53。
[4]. 李言俊，張科，系統(tǒng)辨識理論及應用，國防工業(yè)出版社，2003．4。
[5]. 崔萬安， 電動自行車構造與原理[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008。
[6]. 成大先， 機械設計手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004。
[7]. 兩輪自平衡電動車的結構設計與有限元分析 張三川，彭楠，李霞
(鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001）