兩輪平衡車的設(shè)計(jì)

兩輪平衡車的設(shè)計(jì)摘要兩輪自平衡車結(jié)合了兩輪同軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、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(lè)性于一體的新型代步工具。整車由底盤(pán)、動(dòng)力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。底盤(pán)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(jì)作為傳感器模塊監(jiān)測(cè)車體狀態(tài)，可獲得精確穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)微處理器實(shí)時(shí)處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而由驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)輸和存放；采用電池作為動(dòng)力能源，當(dāng)車減速或下坡時(shí)可自動(dòng)回送電能更加節(jié)能。兩輪自平衡車的基本設(shè)計(jì)理念是娛樂(lè)、經(jīng)濟(jì)、安全、方便、節(jié)能環(huán)保。本車具有運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)它價(jià)格低廉、性價(jià)比高，娛樂(lè)性和適用性增強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀車輛的體積大、功耗多,不適于單人使用的缺點(diǎn)。兩輪自平衡車適用范圍更廣，市場(chǎng)需求大，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值和市場(chǎng)潛力。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡電動(dòng)車，環(huán)保，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(cuò)誤！未定義書(shū)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 51.2.1國(guó)外研究狀況 51.2.2國(guó)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(jì) 82.1設(shè)計(jì)目標(biāo) 82.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 92.3工作原理 9第三章機(jī)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(dòng)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(jì) 194.1.1整體電路的設(shè)計(jì) 194.1.2單片機(jī) 204.1.3傳感器模塊 214.1.4無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路 224.1.5電源模塊驅(qū)動(dòng)電路 234.1.6轉(zhuǎn)向控制運(yùn)算模塊 244.2兩輪平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(xiàn) 35謝辭 35第一章緒論在研究?jī)奢喿云胶廛嚰夹g(shù)中主要涵蓋了機(jī)械和電子兩大系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)中研究的是各個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的分析以及所研究機(jī)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(duì)整個(gè)機(jī)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(jìn)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(chǎng)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(huì)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(wèn)題不斷出現(xiàn)，個(gè)人認(rèn)為解決這些迫在眉睫的問(wèn)題，也需要我們貢獻(xiàn)自己的一點(diǎn)力量。目前市場(chǎng)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(guò)性強(qiáng)，非常適用于大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀眾的代步工具。本文將對(duì)相關(guān)方面的技術(shù)作進(jìn)一步的研究。1.1.2研究意義兩輪自平衡車運(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)便，適于單人使用且適用范圍廣,增加了人們對(duì)外出活動(dòng)的興趣，減少人們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，解決人們時(shí)間不充足的問(wèn)題。本產(chǎn)品結(jié)合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能化的控制系統(tǒng)特點(diǎn)，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(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、展覽館、博物館、體育館、廣場(chǎng)等室內(nèi)外場(chǎng)所工作人員、購(gòu)物者、觀眾的代步工具，因而具有一定的使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。自平衡系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和倒立擺一樣，可以作為一類研究對(duì)象進(jìn)行各種控制算法的研究與驗(yàn)證，用于檢驗(yàn)新型控制技術(shù)的正確性，也可在教學(xué)中作為典型實(shí)例進(jìn)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(dòng)機(jī)器人。兩輪移動(dòng)機(jī)器人擁有傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的靈活性、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性等特點(diǎn)，是智能機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)嶄新的研究方向。采用電能作為動(dòng)力能源，節(jié)能環(huán)保，有助于緩解環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題。該平衡車操作簡(jiǎn)單，智能控制，性價(jià)比高，適用范圍廣，有一定的市場(chǎng)潛力。1.2兩輪自平衡車在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)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(dòng)化系的山藤一雄教授提出類似的設(shè)計(jì)思想。 1986年，該國(guó)的KazuoYamafuji教授突發(fā)奇想設(shè)計(jì)了一個(gè)兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個(gè)模型中，電機(jī)和控制芯片設(shè)計(jì)在上部，靠很多個(gè)陀螺儀來(lái)監(jiān)測(cè)模型的姿態(tài)。受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)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(wú)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(guó)發(fā)明家DeanKaman于1995年開(kāi)始秘密研制，直到2001年12月才將這項(xiàng)高度機(jī)密的新發(fā)明公布出來(lái)，2003年3月正式在美國(guó)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定” 主要通過(guò)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(lái)判斷車體姿態(tài)，測(cè)出駕駛者重心，透過(guò)精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)做到動(dòng)態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)平衡。

圖2美國(guó)研制的平衡機(jī)構(gòu)當(dāng)今時(shí)代不少國(guó)家都對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究有了更深入的研究。 2002年，美國(guó)的DanPiponi設(shè)計(jì)的機(jī)器人只適用于平坦路線。同年，瑞士以 FelixGrasser為首的一個(gè)研究小組制作設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的可以遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。美國(guó)科學(xué)家DavidP.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人（圖3）。比如通過(guò)控制可實(shí)現(xiàn)其本身的零半徑回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。

圖3兩輪自平衡機(jī)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(shí)間里兩輪自平衡車無(wú)論是其控制系統(tǒng)還是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。1.2.2國(guó)內(nèi)研究狀況國(guó)內(nèi)對(duì)兩輪自平衡系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)步。 2003年臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)也制作了一個(gè)兩輪自平衡模型，并通過(guò)模糊控制理論對(duì)其進(jìn)行了控制，可實(shí)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(gè)研究小組研制出一個(gè)兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)（圖4）。依靠的基本原理是陀螺儀來(lái)檢測(cè)車體的姿勢(shì)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車的運(yùn)行。圖4兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對(duì)兩輪自平衡小車研究的深入 ,國(guó)內(nèi)平衡車機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國(guó)在這領(lǐng)域的研究也取得不斷地發(fā)展。設(shè)計(jì)兩輪平衡車主要克服的問(wèn)題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，依靠控制系統(tǒng)中硬件部分控制電路設(shè)計(jì)，傳感器模塊中參與信號(hào)參數(shù)檢測(cè)的陀螺儀及加速度計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，參閱機(jī)械專業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)，提出兩輪自平衡電動(dòng)小車的整車結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其中的某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外平衡小車的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)本文的研究問(wèn)題給予了說(shuō)明。第二章為總體的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡車的工作原理。第三章為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，動(dòng)力裝置，控制裝置，轉(zhuǎn)向裝置，以及對(duì)本章的小結(jié)。并借助機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)，傳感器，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)大部分。一是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)。機(jī)械部分包括：車身、車輪、車身上支架、懸架、軸承、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺(tái)?？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(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、單片機(jī)、電源、電源轉(zhuǎn)換電路、處理器以及外圍擴(kuò)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(jì)兩輪自平衡小車整車機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車身、動(dòng)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(chǔ)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(jī)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(dòng)車的平衡原理來(lái)自于倒立擺模型，由于兩輪自平衡電動(dòng)車的雙輪平行布置在車體的左右兩端，且載人時(shí)重心在雙輪軸心正上方，所以它相當(dāng)于一個(gè)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(cè)到車體向前傾斜時(shí)，內(nèi)置的精密電子陀螺儀來(lái)判斷車身所處的姿勢(shì)狀態(tài)，透過(guò)精密 且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過(guò)讓電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)向前的加速度，這個(gè)加速度使得在雙輪軸心上方的重心向后擺動(dòng)，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(dòng)態(tài)的，為保持車體豎直不倒，必須不斷檢測(cè)車體傾斜姿態(tài)，根據(jù)傾斜狀況驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)或后退，來(lái)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(shí)，平衡車車身內(nèi)的內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)會(huì)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(jìn)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(shí)，也會(huì)產(chǎn)生向后的力量達(dá)到平衡效果。這就是自平衡車系統(tǒng)所達(dá)到的的“動(dòng)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(huì)根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)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(kāi)電源且能保持足夠運(yùn)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(jìn)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(dòng)力學(xué)分析模型。假設(shè)某時(shí)刻車身相對(duì)

于豎直方向有一傾角=且在車輪上施加一順時(shí)針?lè)较虻牧?m=m°,使車輪沿坡面向上加速滾動(dòng)，由于慣性，車身將有可能不繞車軸A發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而只發(fā)生平動(dòng)。此時(shí)，路面對(duì)車輪的靜摩擦力f0為臨界驅(qū)動(dòng)力。忽略空氣阻力和車輪滾動(dòng)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(dòng)力矩式中：M0為臨界驅(qū)動(dòng)力矩；f0為臨界驅(qū)動(dòng)力；m2為車輪質(zhì)量；R為車輪半徑對(duì)于=0時(shí)的臨界驅(qū)動(dòng)力f0,其表達(dá)式:f0=(mim2)gtanv(2)式中：mi為車身(包括駕駛員)質(zhì)量。當(dāng)："0時(shí)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(shí)的特殊情況,即(3)對(duì)=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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最終回到豎直位置第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3.1車身圖8車身結(jié)構(gòu)車身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中車架由方管（型號(hào) 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(gè)支承點(diǎn)是固定的，車架只承受來(lái)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(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)懸架的壓力是一個(gè)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(cuò)開(kāi)，以免發(fā)生共振。忽略對(duì)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(dòng)，以保證車能平順地行駛。懸架是平衡車中的一個(gè)重要組成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來(lái)，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(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)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(dòng)車的體積，懸架設(shè)計(jì)時(shí)體積不宜過(guò)大，要做到簡(jiǎn)單輕便。

圖10兩種不同的懸架設(shè)計(jì)圖懸架彈簧是懸架裝置中最重要的部件，其剛度不能過(guò)大也不能過(guò)小。剛度過(guò)大則懸架柔度不夠，起不到緩沖作用；如果剛度過(guò)小，則振幅會(huì)明顯變大，造成行車過(guò)程中的劇烈顛簸。故有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。這里根據(jù)實(shí)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(gè)懸架彈簧的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)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(shuō)，當(dāng)車身在垂直方向上有震動(dòng)后的頻率發(fā)生。,懸架彈簧對(duì)懸架的反力將以也就是說(shuō)，當(dāng)車身在垂直方向上有震動(dòng)后的頻率發(fā)生。,懸架彈簧對(duì)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(jì)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(jí)碳素402.514.541715.8圖11懸架機(jī)構(gòu)3.1.2車輪車輪有兩個(gè)作用，首先它要承受車身載荷，因此強(qiáng)度要足夠 ；其次，車輪圖11懸架機(jī)構(gòu)3.1.2車輪車輪有兩個(gè)作用，首先它要承受車身載荷，因此強(qiáng)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(gè)容器。對(duì)車輪提出以下要求 ：①?gòu)?qiáng)度足夠；②質(zhì)量盡可能??；③結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)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(hào)(inch)標(biāo)稱胎壓(KPa)蠱犬負(fù)荷〔K￡)層級(jí)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(gè)數(shù)字加上兩倍的安裝齒圈處的厚度。車輪的輪毅的長(zhǎng)度由輪軸長(zhǎng)度決定。至于輪輻，它的形狀比較自由，只要滿足強(qiáng)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(qiáng)型PA66制造，PA66強(qiáng)度中等，因具有良好的自潤(rùn)滑性而廣泛用在潤(rùn)滑條件不良或不便潤(rùn)滑的中輕載傳動(dòng)場(chǎng)合 ，加入玻璃纖維后強(qiáng)度得到顯著提高?？紤]到 PA66在高溫時(shí)強(qiáng)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(qiáng)度 ，在分析時(shí)必須使用最惡劣的工作狀態(tài).按照設(shè)計(jì)要求和初期設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)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(duì)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(guò)粗，否則將不可避免地增加中心小齒輪的分度圓直徑，這對(duì)提高傳動(dòng)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?yàn)樘?xì)一方面會(huì)使內(nèi)側(cè)軸承過(guò)小，另一方面會(huì)降低軸右端鍵的強(qiáng)度。我們?cè)诙ㄗ佑覀?cè)設(shè)計(jì)一凸臺(tái)。圖14定子右端凸輪為簡(jiǎn)化問(wèn)題，按全部載荷作用于齒面上部來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。 限制惰輪中央的所有自由度，將載荷換算為壓強(qiáng)，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(yàn)結(jié)果可以得出，惰輪輪齒會(huì)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(qiáng)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(kāi)關(guān)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)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(yùn)行時(shí)可借助手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐贰９收匣虿徽＿\(yùn)行時(shí)借助保護(hù)電器切斷電路或報(bào)警。借測(cè)量?jī)x表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對(duì)某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號(hào)。（1） 應(yīng)考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問(wèn)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(dòng)力裝置本車采用無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)具有效率高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，操作性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)輸出動(dòng)力后經(jīng)減速器降速來(lái)提高輸出扭矩同時(shí)降低了負(fù)載的慣量，更有利于維持車體的平衡。簡(jiǎn)單的講，一般的永磁式直流有刷電動(dòng)機(jī)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(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生反映磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用,使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停的旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換向的目的，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)換相驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，從而使電機(jī)工作。圖15無(wú)刷直流電機(jī)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(jià)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(hù)使用等突出優(yōu)點(diǎn)。兩輪自平衡電動(dòng)車自身重量小且承載量不會(huì)超過(guò) 1個(gè)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(dòng)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(jià)格低廉，購(gòu)買(mǎi)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(jiǎn)菇向角位移傳感軽安裝儘置緊定套推力軸承?下主體如強(qiáng)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(guò)程可知，該平衡車包括：兩個(gè)車輪，兩個(gè)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(gè)螺釘連接且可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)；車身通過(guò)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?jī)?nèi)容主要包括了自平衡車系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，有車身的設(shè)計(jì)，談到了懸架的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及其作用，還包括了車輪，配電箱的注意事項(xiàng)?？刂妻D(zhuǎn)向裝置的操縱桿的分析了解以及動(dòng)力裝置電機(jī)電源的選擇。第四章 控制系統(tǒng)4.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1.1整體電路的設(shè)計(jì)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(gè)電極雙方向運(yùn)動(dòng)，需要四路接口（3） 定時(shí)器接口（2路），測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要兩個(gè)定時(shí)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(yùn)行狀態(tài)顯示。10 接口可控制以下的模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)；陀螺儀及加速度計(jì)主要實(shí)現(xiàn)姿態(tài)傳感信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電極運(yùn)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(jì)總體框圖4.1.2單片機(jī)本課題所使用的單片機(jī)為MC9S12XS128是一款專門(mén)針對(duì)汽車電子市場(chǎng)的高性能16位單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)。其總線速度高達(dá)40MHz包括128KBFLASH和8KBDATAFLAS用于實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，均帶有錯(cuò)誤校正碼（ECC）;單片機(jī)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(shí)間；內(nèi)嵌MACA模塊用于CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強(qiáng)型SCI和SPI模塊；是含有16位計(jì)數(shù)器；出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能，實(shí)現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能；通道的pwm異于實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)實(shí)物單片機(jī)的主要性能：最高總線傳輸速度可由25MHZ!升到50MHZ;有存儲(chǔ)保護(hù)設(shè)置、定時(shí)器功能增強(qiáng)；電源供電簡(jiǎn)化等。4.1.3傳感器模塊自平衡兩輪觀光車平衡運(yùn)算的最主要參數(shù)是車身的傾斜度。同時(shí)還需要傾斜角速度作為運(yùn)算參數(shù)，利用加速度計(jì)與陀螺儀的配合使用作為傳感器模塊。陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速度信號(hào)的，通過(guò)對(duì)角速度積分，即可得到角度值。陀螺儀動(dòng)態(tài)性能極佳，不易受被測(cè)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(guò)積分都會(huì)得到很大的角度誤差。陀螺儀的漂移問(wèn)題第一類：有規(guī)律的漂移（1） 與加速度無(wú)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(huì)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(jī)性質(zhì)的漂移陀螺隨機(jī)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(méi)有確定的規(guī)律性，無(wú)法用簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行補(bǔ)償。陀螺隨機(jī)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(xiàng)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(dú)使用。加速度計(jì)是一種利用檢測(cè)質(zhì)量塊的慣性力來(lái)測(cè)量載體加速度的敏感裝置，分為線加速度計(jì)和角加速度計(jì)。加速度計(jì)通過(guò)測(cè)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(jì)靜態(tài)響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確提供靜態(tài)的角度，但受動(dòng)態(tài)加速度影響較大，不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，單獨(dú)使用陀螺儀或加速度計(jì)都不理想，因此用陀螺儀補(bǔ)償加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差，用加速度計(jì)補(bǔ)償陀螺儀的漂移誤差，從而可獲得既具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)又精確穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)。圖22陀螺儀加速傳感器電路4.1.4無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路由于車模具有兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路。需要兩篇電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形采用了單極性的驅(qū)動(dòng)方式。也就是在一個(gè)PWM周期內(nèi)，施加在電機(jī)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(jī)為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個(gè)PWM信號(hào)。兩個(gè)電機(jī)總共需要4路PWM言號(hào)。具體的驅(qū)動(dòng)電路：4.1.5電源模塊驅(qū)動(dòng)電路?采用穩(wěn)壓芯片將電源電壓穩(wěn)壓到 5V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、路徑識(shí)別的光電傳感器電路、速度檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器電路和驅(qū)動(dòng)芯片。.經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管降至6.5V左右后供給轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)。?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(dòng)電路4.1.6轉(zhuǎn)向控制運(yùn)算模塊運(yùn)算模塊包括車體狀態(tài)運(yùn)算和平衡控制運(yùn)算部分。車體狀態(tài)運(yùn)算主要是將各傳感器測(cè)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(yùn)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(jī)速度變化值，向電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制指令。運(yùn)算模塊主要負(fù)責(zé)計(jì)算車體狀態(tài)數(shù)據(jù)，向控制模塊發(fā)出電機(jī)加速、減速及正反轉(zhuǎn)等速度控制信號(hào)，接收電機(jī)信號(hào)進(jìn)行車速度計(jì)算并通過(guò)串口向發(fā)送車速數(shù)據(jù)以供存儲(chǔ)和分析。并且接收車體平衡姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行自平衡運(yùn)算，運(yùn)算模塊用C語(yǔ)言編程。4.2兩輪平衡車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)421A/D模塊A/D轉(zhuǎn)換原理模擬信號(hào)依次通過(guò)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并且在每個(gè)抽樣運(yùn)算后在足夠的時(shí)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(guò)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(jìn)制編碼的形式。PWM模塊PWM調(diào)制波有8個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出。每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。每一個(gè)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(diǎn)：1、 它有8個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。2、 每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器。3每個(gè)通道都可編程。PID控制器測(cè)量系統(tǒng)需要控制的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

的響應(yīng)。在工程實(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、操作方便，工作性能高的特點(diǎn)。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(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)范圍廣、對(duì)模型依賴少等特點(diǎn)，因此使用PID控制器實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車的控制是可行的。

PID控制器設(shè)計(jì)由小車靜止時(shí)其運(yùn)動(dòng)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(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn):sp其中一個(gè)極點(diǎn)位于S平面的右半平面。根據(jù)l(式二)此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)極點(diǎn):sp其中一個(gè)極點(diǎn)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(lái)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(shí)，系統(tǒng)的兩個(gè)極點(diǎn)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(gè)極點(diǎn)都位于s平面的左半平面。要滿足這一點(diǎn)，需要kl>g,k2>0。由此可得出結(jié)論，但kl>g,k2>0時(shí)，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(jī)控制量，因而小車平衡控制的PID控制器的輸出方程可寫(xiě)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(xiě)的程序可在vc6.0下運(yùn)行！輸入e表示輸出誤差，ec表示誤差變化率，經(jīng)過(guò)測(cè)試具有很好的控制效果，對(duì)于非線性系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型難以建立的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有更好的控制效果！程序見(jiàn)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(lè)性、經(jīng)濟(jì)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(chǎng)所是針對(duì)各種游樂(lè)場(chǎng)，展會(huì)，博物館等場(chǎng)所而設(shè)計(jì)，其它場(chǎng)所也可使用。本車采用電力驅(qū)動(dòng)節(jié)能環(huán)保，操作簡(jiǎn)單適合各種人群使用，智能化的控制還增加了娛樂(lè)性。此車操縱桿可以折疊，折疊后體積小，便于存放和運(yùn)輸。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，外形美觀，定位準(zhǔn)確，能夠迎合市場(chǎng)的需求，有較好的市場(chǎng)前景。該研究課題包括以下優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)機(jī)件的使用壽命；車身設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間；無(wú)剎車系統(tǒng)，由控制部分自動(dòng)給出正反轉(zhuǎn)力矩，從而達(dá)到快速穩(wěn)定的剎車。缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平

衡，就要做好控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。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?jī)奢喥胶庑≤嚨臋C(jī)械結(jié)構(gòu)及相關(guān)的元件控制系統(tǒng)。通過(guò)自己的理論分析能對(duì)兩輪平衡車有一個(gè)細(xì)致全面的認(rèn)識(shí)，詳細(xì)的了解了平衡車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及每一部分所發(fā)揮的工作性能。通過(guò)自己的參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)模擬平衡車相關(guān)的試驗(yàn)，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(yǔ)言值的滿幅值/*語(yǔ)言值的滿幅值*/#defineFMAX 100intPFF[4]={0,12,24,48};/*輸入量D語(yǔ)言值特征點(diǎn)*/intDFF[4]={0,16,32,64};/*輸出量U語(yǔ)言值特征點(diǎn)*/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(shí)偏重誤差，小誤差時(shí)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(yùn)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(yǔ)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(gè)隸屬函數(shù)沖心值由UFF[7]指定*//*一般都是四個(gè)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