两轮平衡车的设计.docx

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两轮平衡车的设计

毕业设计（论文）

题目

两轮平衡车的设计

系（院）

机电工程系

专业

机械设计制造及其自动化

学号

指导教师

职称

二〇一四年六月二十日

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一二年月日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一二年月

两轮平衡车的设计

摘要

两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构和倒立摆模型的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。

整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。

底盘采用下沉式的悬架结构，降低车身和使用者的重心减小了平衡控制难度,利用阻尼器削弱冲击力提高驾驶舒适性；控制部分由陀螺仪和加速度计作为传感器模块监测车体状态，可获得精确稳定的测量数据。

同时微处理器实时处理状态数据，进而由驱动模块控制电机转动以维持车体平衡；转向操纵杆高度可调节亦可折叠，以适应不同高度人士使用又便于运输和存放；采用电池作为动力能源，当车减速或下坡时可自动回送电能更加节能。

两轮自平衡车的基本设计理念是娱乐、经济、安全、方便、节能环保。

本车具有运动灵活、智能控制、操作简便等特点，同时它价格低廉、性价比高，娱乐性和适用性增强，弥补了传统观车辆的体积大、功耗多，不适于单人使用的缺点。

两轮自平衡车适用范围更广，市场需求大，具有很强的市场推广价值和市场潜力。

关键词：

两轮自平衡电动车，环保，结构设计，陀螺仪，控制电路。

Twobalancedcardesign

Abstract:

Two-wheeledself-balancingtwo-wheeledvehiclecombinesacoaxial,independentdrive,suspensionstructureandtheinvertedpendulummodelofself-balancingprinciple,undermicroprocessorcontrolisalwaysabalancedsetofintelligentandentertainmentinoneofthenewmeansoftransport.Thevehiclechassis,powermeans,controlmeansandsteeringcomponents.Chassissunkensuspensionstructure,reducingtheuser'scenterofgravityofthebodyandreducesthebalancecontroldifficulty,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.

1.1课题研究的背景及意义...........................................................................................4

1.1.1两轮自平衡车的研究背景.....................................................................................4

1.1.2研究意义.................................................................................................................5

1.2两轮自平衡车在国内外的研究现状.......................................................................5

1.2.1国外研究状况.........................................................................................................5

1.2.2国内研究状况.........................................................................................................7

1.3自平衡车主要完成的内容结构...............................................................................8

第二章总体设计............................................................................................................8

2.1设计目标...................................................................................................................8

2.2总体结构设计...........................................................................................................9

2.3工作原理..................................................................................................................9

第三章机械结构系统................................................................................................11

3.1车身.........................................................................................................................11

3.1.1悬架的结构..........................................................................................................12

3.1.2车轮的结构..........................................................................................................14

3.1.3惰轮......................................................................................................................15

3.1.4轮轴的结构..........................................................................................................15

3.1.5配电箱..................................................................................................................16

3.2动力装置.................................................................................................................16

3.3转向控制装置.........................................................................................................18

3.4两轮平衡车的装配..................................................................................................19

3.5本章小结.................................................................................................................19

第四章控制系统......................................................................................................19

4.1两轮平衡车硬件系统设计......................................................................................19

4.1.1整体电路的设计..................................................................................................19

4.1.2单片机..................................................................................................................20

4.1.3传感器模块..........................................................................................................21

4.1.4无刷直流电机驱动控制电路..............................................................................22

4.1.5电源模块驱动电路..............................................................................................23

4.1.6转向控制运算模块..............................................................................................24

4.2两轮平衡车软件系统设计.....................................................................................24

4.2.1A/D模块...........................................................................................................24

4.2.2PWM模块...........................................................................................................24

4.2.3PID控制器.......................................................................................................25

4.2.4平衡车控制程序................................................................................................26

第五章结论................................................................................................................27

附录..............................................................................................................................27

参考文献......................................................................................................................35

谢辞..........................................................................................................................35

第一章绪论

在研究两轮自平衡车技术中主要涵盖了机械和电子两大系统技术，机械系统中研究的是各个机构的特点，机构的分析以及所研究机构的应用领域所发挥的功能等。

而电子系统中要完成的是对整个机构系统的精确地控制、调节及有关信息的反馈。

目前而言，自平衡车的应用范围很小，相关的技术已经臻于成熟，但还有待于进一步的发展优化，以便应用于更广的领域。

图1.市场上的两轮自平衡代步车

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1两轮自平衡车的研究背景

随着社会的不断发展，能源消耗，环境污染，交通拥挤，生活空间狭小的问题不断出现，个人认为解决这些迫在眉睫的问题，也需要我们贡献自己的一点力量。

目前市场上出现了两轮自平衡代步车（图1），因其技术含量较高，占地面积小，灵活性和路面通过性强，非常适用于大型商场、机场、展览馆、博物馆、体育馆、广场等室内外场所工作人员、购物者、观众的代步工具。

本文将对相关方面的技术作进一步的研究。

1.1.2研究意义

两轮自平衡车运动灵活、智能控制、操作简便，适于单人使用且适用范围广，增加了人们对外出活动的兴趣，减少人们的运动强度，解决人们时间不充足的问题。

本产品结合了两轮自平衡系统的特殊机械结构和智能化的控制系统特点，其研制意义可归纳为：

①该车作为载人行驶的代步工具，可根据需要将该车改造为大型商场、机场、展览馆、博物馆、体育馆、广场等室内外场所工作人员、购物者、观众的代步工具，因而具有一定的使用价值和市场价值。

②自平衡系统自身的特点和倒立摆一样，可以作为一类研究对象进行各种控制算法的研究与验证，用于检验新型控制技术的正确性，也可在教学中作为典型实例进行讲授。

③以本产品为基础，改造成适合工业或民用的两轮移动机器人。

两轮移动机器人拥有传统轮式移动机器人的灵活性、机动性、适应性等特点，是智能机器人领域中一个崭新的研究方向。

④采用电能作为动力能源，节能环保，有助于缓解环境问题、能源问题。

⑤该平衡车操作简单，智能控制，性价比高，适用范围广，有一定的市场潜力。

1.2两轮自平衡车在国内外的研究现状

1.2.1国外研究状况

两轮自平衡小车的相关研究始于1987年，两轮自平衡系统首先是由日本学者

由日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出类似的设计思想。

1986年，该国的KazuoYamafuji教授突发奇想设计了一个两轮同轴、重心高高在上的模型。

在这个模型中，电机和控制芯片设计在上部，靠很多个陀螺仪来监测模型的姿态。

受当时计算机和传感器技术的限制，KazuoYamafuji的两轮自平衡模型只能沿着事先设置好的轨道行驶。

而无法完成预期的目标，但随着研究的不断深入和技术的不断发展，取得了一定的成果。

美国发明家DeanKaman于1995年开始秘密研制，直到2001年12月才将这项高度机密的新发明公布出来，2003年3月正式在美国上市（图2）。

它的工作原理主要是建立在一种与人体的平衡能力相似的，被称为“动态稳定”主要通过内置的精密固态陀螺仪、倾斜传感器以每秒100次的频率来判断车体姿态，测出驾驶者重心，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，通过驱动马达来做到动态平衡的效果。

以每秒高频次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自动保持平衡。

假设我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。

当这条轴线发生偏折时，系统会自动平衡。

图2美国研制的平衡机构

当今时代不少国家都对两轮自平衡系统的研究有了更深入的研究。

2002年，美国的DanPiponi设计的机器人只适用于平坦路线。

同年，瑞士以FelixGrasser为首的一个研究小组制作设计了一个钢结构的可以远程控制的两轮自平衡机器人，实验结果令人满意。

美国科学家DavidP.Anderson研发的两轮自平衡机器人（图3）。

比如通过控制可实现其本身的零半径回转，可实现更为复杂的运行环境。

图3两轮自平衡机器人

2005年，自行车系统的平衡控制理论取得突破。

日本的村田制作所向公众展示了其最新研究。

随后的几年时间里两轮自平衡车无论是其控制系统还是机械结构的优化选择方面都取得了长足的发展。

1.2.2国内研究状况

国内对两轮自平衡系统的研究起步较晚，但也取得了很大的进步。

2003年台湾国立中央大学也制作了一个两轮自平衡模型，并通过模糊控制理论对其进行了控制，可实现相关功能的应用。

2005年，哈尔滨工业大学的一个研究小组研制出一个两轮自平衡机器人的样机（图4）。

依靠的基本原理是陀螺仪来检测车体的姿势，通过电动机来驱动小车的运行。

图4两轮自平衡机器人的样机

近年来科学技术的不断发展，随着对两轮自平衡小车研究的深入,国内平衡车机械结构、控制系统的不断完善，我国在这领域的研究也取得不断地发展。

设计两轮平衡车主要克服的问题是其结构设计，材料选择等方面突出其体积小，节能减排的理念。

而平衡车平衡控制的实现，依靠控制系统中硬件部分控制电路设计，传感器模块中参与信号参数检测的陀螺仪及加速度计及软件部分的控制器。

1.3本文主要完成的内容结构

以机械设计理论为基础，参阅机械专业相关文献，提出两轮自平衡电动小车的整车结构方案，并对其中的某些关键零部件进行设计和分析。

全文共分为六章

第一章为绪论，阐述了两轮自平衡小车的课题背景和研究意义，介绍了国内

外平衡小车的发展现状，并对本文的研究问题给予了说明。

第二章为总体的设计，包括设计目标，总体结构设计，平衡车的工作原理。

第三章为机构设计主要包括车身，车架结构，悬架的结构，配电箱设计，动力装置，控制装置，转向装置，以及对本章的小结。

并借助机械设计软件绘出具体模型。

第四章为控制系统的硬件系统和软件系统，主要包括单片机，传感器，电动机驱动器，控制程序及控制电路等。

第五章为研究课题的结论。

第二章总体设计

2.1设计目标

两轮自平衡小车的设计主要分为两个大部分。

一是机械结构系统，二是控制系统。

机械部分包括:

车身、车轮、车身上支架、悬架、轴承、连杆等机械结构，主要功能是承载