說(shuō)明書-兩輪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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有CAD圖紙和說(shuō)明書,領(lǐng)取加Q 197216396 或 11970985 圖書分類號(hào)： 密 級(jí)： 兩輪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) TWO WHELLED ROBOT WALKING MECHANISM DESIGN 2 摘要 隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們的出行方式越來(lái)越多元化，雙輪平衡車這種靈巧類短途代步工具已越來(lái)越多地進(jìn)入人們的視野。本文旨在對(duì)雙輪平衡車的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并開發(fā)出站立或者坐式兩種工作狀態(tài)，為腿腳不便的殘疾人提供靈便的出行方案，可以說(shuō)有很好的研究?jī)r(jià)值和前景。 多功能雙輪平衡車由踏板、車把和兩個(gè)平行的輪子和一個(gè)可拆卸的座椅組成。內(nèi)置了無(wú)刷永磁電機(jī)，鋰電池安裝在電機(jī)下方，控制電路分布于底盤以上，踏板以下。雙輪車的平衡保持主要依靠姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）來(lái)傳遞信息，傳給CPU后，處理器會(huì)算出適當(dāng)數(shù)據(jù)，并發(fā)出相應(yīng)的指令，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)接到指令后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，再通過(guò)軸和聯(lián)軸器傳給減速器，減速器再傳給車輪，車輪通過(guò)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來(lái)保持平衡。車體的轉(zhuǎn)彎通過(guò)車把的左右傾斜角度來(lái)控制，不同的傾斜角度對(duì)應(yīng)電機(jī)不同的速度差。當(dāng)然在安上座椅后，平衡車會(huì)自動(dòng)切換另一種較為安全的駕駛模式，以便殘疾人安全使用。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易，是老少皆宜的出行散步的代步工具。 另外，在行走機(jī)構(gòu)中，將采用磁力機(jī)械提高傳動(dòng)效率，增加平衡車的安全性和可靠性。 關(guān)鍵詞 行走機(jī)構(gòu)；自平衡；加速度計(jì)；磁力機(jī)械 Abstract With the progress of society and the development of science and technology, the way people travel more and more diversified, dexterous two wheeled balancing car this kind of short distance transport has increasingly entered peoples vision. This paper aims to travel mechanism of balancing two wheeled vehicles were designed and studied in this paper, and develop a standing or sitting two working state, provide a handy travel program for people with disabilities in a cripple, can be said to have very good research value and prospects. Multifunctional wheel balance car is composed of a pedal, handlebar and two parallel wheels and a detachable seat. The wheel of the wheel motor is arranged in parallel with both sides of the pedal, and the power supply and the drive control circuit are installed under the pedal. System with attitude sensors (gyroscopes and accelerometers) to monitoring of the body in which the state space and state change rate, through high-speed central processing unit to calculate the appropriate data and instructions, driving motor forward or backward acceleration to achieve the body front and rear balance effect. The body turns through the handlebar control from the angle of tilt, tilt angle corresponding to different different motor speed difference. Of course, after the placement of the seat and the balance of the car will automatically switch on a safer driving mode, in order to use the safety of persons with disabilities. This system is flexible and has the advantages of simple structure, easy operation, can be used as the mass transport in a variety of occasions. In addition, in the running mechanism, the use of magnetic machinery to improve transmission efficiency, increase the balance of the safety and reliability of the car. Keywords Walking mechanism Self balancing gyroscope Magnetic machinery 4 目 錄 摘要 3 Abstract 4 目 錄 5 1 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 雙輪自平衡機(jī)器人分類 2 1.3雙輪機(jī)器人研究概況 3 1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 1.4多功能雙輪車的研究目的及意義 5 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容 6 1.6 本章小結(jié) 6 2.兩輪機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 7 2.1兩輪機(jī)器人的工作原理 7 2.2電動(dòng)機(jī)的選擇 8 2.2.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 10 2.3減速器的選擇 12 2.3.1減速比的確定 12 2.3.2 減速器型號(hào)的確定 12 2.4磁力機(jī)械在雙輪機(jī)器人中的應(yīng)用 14 2.4.1磁力聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 14 2.5本章小結(jié) 15 3行走的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 3.1懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 3.2輪胎的設(shè)計(jì)與選擇 21 3.2.1車輪的選擇 22 3.2.2輪胎的選擇 23 3.3底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 3.3.1 底盤的外形設(shè)計(jì) 24 3.3.2，底盤的材料選擇 25 3.4本章小結(jié) 26 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 27 4.1 控制系統(tǒng)的組成 27 4.2 控制電路的設(shè)計(jì) 28 結(jié)論 30 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 6 1 緒論 1.1 課題背景 科技是第一生產(chǎn)力，機(jī)器人已經(jīng)成為一種新型的生產(chǎn)工具，應(yīng)用范圍已經(jīng)越來(lái)越廣，幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人在減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少作業(yè)危險(xiǎn)性等方面都顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。由于機(jī)器人要代替人力進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)代替的部位可以把機(jī)器人主要分為兩大類：操作機(jī)器人(手)，即利用等同于手臂的機(jī)械手、相當(dāng)于手指的手抓來(lái)移動(dòng)物體；移動(dòng)機(jī)器人(腿)，即步行機(jī)器人或用車輪進(jìn)行移動(dòng)的機(jī)器人0 移動(dòng)機(jī)器人由于它的廣闊應(yīng)用前景，已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。其移動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、腿式、推進(jìn)式等。其中輪式機(jī)器人由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能量利用率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為機(jī)器人的一個(gè)重要研究方向。0 輪式機(jī)器人在工作中可能會(huì)遇到工作區(qū)域狹窄、路面不平、需要經(jīng)常轉(zhuǎn)向等復(fù)雜的工作環(huán)境，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務(wù)，使機(jī)器人不但能夠適應(yīng)特定的環(huán)境，還能在動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜未知環(huán)境中體現(xiàn)出高度的靈活適應(yīng)性，成為一個(gè)值得重點(diǎn)研究的課題。 在這樣的背景下兩輪自平衡機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。兩輪自平衡機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由車輪，電機(jī)，懸掛，軸承等部分組成。其中兩個(gè)車輪位于同一軸線，分別由兩個(gè)直流伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持動(dòng)態(tài)自平衡。其中，駕駛該平衡車的人與該系統(tǒng)組成一個(gè)整體，換言之，人也是這個(gè)機(jī)器人的一部分，通過(guò)人的動(dòng)作和重心變化，才能實(shí)現(xiàn)車的智能化行走。與傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比，兩輪自平衡機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)： 1. 轉(zhuǎn)彎半徑為零：機(jī)器人繞本體中心旋轉(zhuǎn)，有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向，可以在小空間范圍靈活運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)軌跡更為靈活，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺陷； 2. 無(wú)剎車系統(tǒng)：由 CPU 自動(dòng)給出正反轉(zhuǎn)力矩，從而達(dá)到快速穩(wěn)定的剎車效果；控制方便，只需要身體向運(yùn)動(dòng)相反方向傾斜，便可停止。前進(jìn)后退自如； 3. 驅(qū)動(dòng)功率減小，為平衡車的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行提供支持； 4. 特殊的應(yīng)用場(chǎng)合：可應(yīng)用于步行街、廣場(chǎng)、游樂場(chǎng)和大型會(huì)場(chǎng)等汽車無(wú)法通行、步行又太累的場(chǎng)合，既減少污染又解決交通堵塞問(wèn)題，并且還為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。 由于結(jié)構(gòu)特殊，兩輪自平衡機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)靈活、適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)、方便地實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)、適于在狹小和危險(xiǎn)的工作空間內(nèi)活動(dòng)、能夠勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。此外，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，為兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并極大的降低了研制成本，有力地推動(dòng)了兩輪自平衡機(jī)器人由理論研究向工程實(shí)踐發(fā)展。0 1.2 雙輪自平衡機(jī)器人分類 兩輪自平衡機(jī)器人種類繁多，它的典型應(yīng)用有代步工具、通勤車、空間探索、戰(zhàn)地偵查、危險(xiǎn)品運(yùn)輸、智能輪椅、多機(jī)器人合作、足球機(jī)器人等方面。但為了更進(jìn)一步地理解兩輪自平衡機(jī)器人的本質(zhì)，還需根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行分類。 依照控制系統(tǒng)的傳感器的不同，可以分成單一傳感器與組合傳感器兩種。單傳感器一般采取陀螺儀方案，通過(guò)光電或紅外接近探測(cè)器利用處理傳感器測(cè)出仰角，該法簡(jiǎn)單但精度低且易受干擾。所以，此類機(jī)器人工時(shí)短，功能少。而組合傳感器類的雙輪平衡車，由于采用了加速度計(jì)、傾角計(jì)等多種定位儀器配合使用，可以提高精度，降低成本。因?yàn)樗惴◤?fù)雜，故需要對(duì)濾波器進(jìn)行精確調(diào)校。 根據(jù)雙輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變化，質(zhì)心位置是否可變，可分為兩類：定質(zhì)心和變質(zhì)心。定質(zhì)心機(jī)器人是研究?jī)奢喥胶廛嚨幕A(chǔ)，因?yàn)樗馁|(zhì)心不變，控制起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，自平衡更容易實(shí)現(xiàn)；但是質(zhì)心不變會(huì)導(dǎo)致其他結(jié)構(gòu)也不能改變，功能擴(kuò)展方面較困難，限制了該類機(jī)器人的發(fā)展。變質(zhì)心一類，由于質(zhì)心可變，輔助功能模塊就可以變化，可以方便搭載乘客、運(yùn)輸物品。今后兩輪自平衡機(jī)器人的研究趨勢(shì)是朝著變質(zhì)心的方向發(fā)展的。 按照雙輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，可分為倒立擺（集中）式和質(zhì)量均布（堆疊式）。倒擺式的機(jī)器人質(zhì)量主要分布在擺桿頂端和車軸上，如果擺桿廠的話，設(shè)計(jì)的時(shí)候可以參考倒立擺的研究成果，但對(duì)于功能的拓展，有一定的局限性。 除此三種分類以外，根據(jù)濾波器又可以分為硬件濾波與軟件濾波；還可以根據(jù)傾角測(cè)量的不同方式，分為直接和間接測(cè)量?jī)深悾?根據(jù)功能差異分為服務(wù)型、研究型和玩具型。為了更直觀更系統(tǒng)，也可以采用圖表表達(dá)，雙輪自平衡車分類如下表1-1所示 表1-1雙輪自平衡車分類表 質(zhì)心位置 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 感知系統(tǒng) 定質(zhì)心 倒立擺式 單傳感器式 組合合傳感器式 質(zhì)量均布式 單傳感器式 組合傳感器式 變質(zhì)心 倒立擺式 組合傳感器式 質(zhì)量均布式 1.3雙輪機(jī)器人研究概況 最早提出雙輪機(jī)器人構(gòu)想的是日本科學(xué)家，1987年便申請(qǐng)了專利。后來(lái)，美國(guó)、瑞士和法國(guó)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，自平衡，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等方面取得進(jìn)展，并取得很多研究成果。國(guó)內(nèi)對(duì)雙輪車的研究起步較晚。2006年左右才開始興起，主要是中科大，北理工等高校參與研究，如今，方興未艾。 1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 【更多畢業(yè)設(shè)計(jì)，Q380615448】 【代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，Q380615448】 2002年，segway公司創(chuàng)造首輛自平衡雙輪車，名噪一時(shí)，該車速度最快可以達(dá)到20km/h如圖1.1所示。Segway有五個(gè)陀螺儀，有兩個(gè)是備用的，主要說(shuō)的三個(gè)用來(lái)檢測(cè)前后左右的傾斜。它們收集的信息傳輸給主控芯片。該芯片運(yùn)算效率是一般電腦的3倍。在最高中樞，“直覺軟件”會(huì)當(dāng)場(chǎng)分析各類信息。從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它的出現(xiàn)可以說(shuō)是出行方式的一場(chǎng)革命，seway迅速成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿，其平衡方式，控制系統(tǒng)，行走機(jī)構(gòu)等方面成為各個(gè)研究機(jī)構(gòu)爭(zhēng)相研究的材料。它采用傳感器，利用倒立擺的原理創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出了可以零半徑轉(zhuǎn)彎的兩輪交通工具。 圖1-1 自平衡雙輪腳踏車segway 2007年，三洋電機(jī)發(fā)明了可依靠上體倒立來(lái)保持平衡的雙輪機(jī)器人，叫“FLATHRU”，如圖1-2所示，平地時(shí)最大時(shí)速30cm／S，最大載重10kg，行走時(shí)間1小時(shí)。直流電動(dòng)機(jī)的輸出功率為90w，頭部有兩個(gè)。為了感知上體的平衡狀態(tài)，采用用了1個(gè)3軸加速度傳感器和3個(gè)陀螺儀的傳感方案。 圖1-2 機(jī)器人FLATHRU 2014年，日本Tohoku大學(xué)和Fukushima大學(xué)的研究人員研制出生活機(jī)器人。該兩輪機(jī)器人多了操作手，因此可以進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)和搬運(yùn)物體。通過(guò)關(guān)節(jié)連接處的上下擺桿改變機(jī)器人的形態(tài)。機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)是通過(guò)倒立擺保證的。它可以抓取物體，能夠坐下，當(dāng)然也可以自主站起來(lái)，可以說(shuō)是雙輪自平衡機(jī)器人邁向多功能化的一個(gè)巨大突破。 1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2003 年，中國(guó)科技大學(xué)屠運(yùn)武、張培仁等成功研制了如圖 1-3 所示的自平衡兩輪電動(dòng)車Free Mover。它的轉(zhuǎn)彎半徑為零，可以在狹小空間內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)，無(wú)剎車系統(tǒng)，整車質(zhì)量約 為30 公斤。駕駛者利用身體的前傾與后傾實(shí)現(xiàn)雙輪車的變速?？刂剖直淖饔檬窃剞D(zhuǎn)彎任意角度。最高時(shí)速可達(dá) 10 公里，續(xù)航30 公里。作者運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，車體大角度變化問(wèn)題與非線性控制問(wèn)題是通過(guò)采用模糊自適應(yīng)控制策略來(lái)解決。 2015年，李勇，耿建平等人在雙飛輪陀螺效應(yīng)在雙輪平衡車中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。他們基于矢量動(dòng)力學(xué)建立單飛輪自平衡動(dòng)力學(xué)模型，基于PD控制理論推導(dǎo)出方程組，最后以該實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研制出雙飛輪陀螺效應(yīng)的自平衡車，以STM32單片機(jī)為控制核心，以智能手機(jī)為控制平臺(tái)，以HC-06為車載藍(lán)牙模塊。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙飛輪陀螺效應(yīng)的雙輪車具有更好的平衡性和抗撞擊性。 2015年，河北聯(lián)合大學(xué)的任紅格，向迎帆等人研究了兩輪機(jī)器人中內(nèi)在動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化算法。就是利用內(nèi)在動(dòng)機(jī)信號(hào)作為內(nèi)部獎(jiǎng)勵(lì)，模擬人類的認(rèn)知方法并與外部信號(hào)一起作用于學(xué)習(xí)過(guò)程，同時(shí)采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)助快速運(yùn)算。這種算法可以使機(jī)器人在未知復(fù)雜的環(huán)境中通過(guò)自主學(xué)習(xí)最終達(dá)到平衡，體現(xiàn)了該算法的魯棒性，在機(jī)器人智能化上邁出深遠(yuǎn)的一步。 圖1-3機(jī)器人Free Mover 1.4多功能雙輪車的研究目的及意義 近年來(lái)，隨著科技水平的提高，人們的出行方式也越來(lái)越多元化，雙輪車，這個(gè)十年前在人們看來(lái)還是尖端技術(shù)的產(chǎn)品如今已進(jìn)入尋常百姓家。但是我們不難發(fā)現(xiàn)，接觸到雙輪平衡車的大多是年輕人，對(duì)于身體不夠靈活，協(xié)調(diào)性不夠好的老年人甚至殘疾人來(lái)說(shuō)，雙輪車只不過(guò)是年輕人娛樂的一種玩具。 而事實(shí)上雙輪車的存在就是為了那些出行不便的人提供便捷的行走方案的。為此，在普通的雙輪車上增加可拆卸式座椅，制動(dòng)裝置，緊急求助系統(tǒng)等裝置是很有必要的。而且多功能的存在可以提高雙輪車的性價(jià)比。畢竟花大幾千元購(gòu)置一個(gè)成年人的“玩具”，大多數(shù)家庭是不會(huì)選擇購(gòu)買的。因此多年齡層可以共同使用的多功能雙輪車具有很好的研究前景。 另外雙輪自動(dòng)平衡機(jī)器人在學(xué)術(shù)上也有重要的研究?jī)r(jià)值，它是動(dòng)力學(xué)研究和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，在人及智能方面，對(duì)雙輪車自動(dòng)識(shí)別障礙并保持平衡的研究對(duì)魯棒性的驗(yàn)證具有極其重要的意義。 總而言之，雙輪自動(dòng)平衡機(jī)器人是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物。既有理論研究的意義，又有實(shí)用價(jià)值。受到各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。已經(jīng)成為近年來(lái)炙手可熱的研究項(xiàng)目之一。 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究對(duì)象是雙輪自平衡車，由于它本質(zhì)不穩(wěn)定，多變量，非線性，強(qiáng)耦合。再加上復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境?？刂迫蝿?wù)也有復(fù)雜性。 由于專業(yè)和自身水平限制，本文主要從行走機(jī)構(gòu)方面和控制系統(tǒng)方面進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容為以下5點(diǎn)： （1）通過(guò)分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外雙輪自平衡車的結(jié)構(gòu)組成，給出較合理的幾種行走機(jī)構(gòu)方案，并擇優(yōu)選擇。 （2）對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括車輪的設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的選擇，懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電機(jī)支架的設(shè)計(jì)，制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。 （3）對(duì)各個(gè)部分的硬件參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，算出該車最大的可控角度。 （4）多功能的體現(xiàn)，具體闡述該車與普通雙輪車的不同之處，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)等。 （5）對(duì)控制平衡的系統(tǒng)和電路進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。 1.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了輪式機(jī)器人的發(fā)展歷程，繼而引出了兩輪機(jī)器人的課題研究背景，接著介紹了關(guān)于兩輪車的國(guó)內(nèi)國(guó)外研究現(xiàn)狀，對(duì)一般的雙輪車系統(tǒng)進(jìn)行分類，探尋出研究雙輪車的目的，最后引出本文的研究?jī)?nèi)容。 2.兩輪機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)可以說(shuō)是雙輪自平衡機(jī)器人的基礎(chǔ)，多功能雙輪平衡車需要承載更多的附加功能，因此需要對(duì)其行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。比如由于多了座椅而需要增加電機(jī)功率。因?yàn)槔先?、殘疾人的使用而需要增加的制?dòng)系統(tǒng)和保護(hù)裝置。本章將具體介紹該車行走機(jī)構(gòu)中各部件的設(shè)計(jì)與選擇。 2.1兩輪機(jī)器人的工作原理 多功能雙輪平衡車與普通雙輪車的不同之處在于它可以坐著開。通過(guò)座椅的拆卸和車把手的高低調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)站和坐兩種駕駛體驗(yàn)。它的側(cè)面結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，靜止?fàn)顟B(tài)下車身與地面保持垂直。行駛狀態(tài)下，擺動(dòng)的最大角度前后不超過(guò)30。 圖2-1 小車傾斜示意圖 車未啟動(dòng)時(shí)，車輪和車身相對(duì)獨(dú)立。也就是說(shuō)，車身的前后擺動(dòng)對(duì)車輪的狀態(tài)是沒有影響的。當(dāng)雙輪車啟動(dòng)后，小車有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要合理的控制方法?；驹砭褪钱?dāng)車體傾斜時(shí)，傾角傳感器測(cè)出角度，控制系統(tǒng)根據(jù)傾角得出一個(gè)人相應(yīng)的力矩，傳輸給電機(jī)，通過(guò)車輪轉(zhuǎn)速的變化來(lái)保持平衡。 當(dāng)平衡車前傾時(shí)，車身重心在前邊，為保持平衡，車輪向前滾動(dòng)，以此來(lái)保證小車的平衡。同理，當(dāng)后傾時(shí)，車輪向后滾動(dòng)來(lái)保持平衡。當(dāng)車身的重心在電機(jī)軸心線的垂直平分線上時(shí)，車身靜止，無(wú)需控制。需要提到的是。當(dāng)駕駛者坐在平衡車上時(shí)，車還未啟動(dòng)，車前傾，為保持平衡，腳踏板起到一個(gè)支撐桿的作用，當(dāng)車啟動(dòng)時(shí)，腳踏板隨之抬起，正常運(yùn)行。 多功能雙輪自平衡車外形如圖2-2所示： 圖2.2多功能雙輪自平衡車外形示意圖 與一般雙輪車不同的是，該設(shè)計(jì)增加了可拆卸式座椅，駕駛者可以體驗(yàn)站立或坐式兩種駕駛方式，把手高度可調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同高度的駕駛?cè)巳?。另外，因?yàn)橛袣埣踩说鸟{駛模式，本雙輪車增加了手剎的功能。在車停止時(shí)，通過(guò)手剎抱死車輪，車可以安全地停在原地，避免不必要的意外發(fā)生。 2.2電動(dòng)機(jī)的選擇 雙輪車體積小，質(zhì)量輕，一般采用鋰電池供電，故選用直流電機(jī)?？梢赃x擇的電機(jī)種類有：直流有刷電機(jī)、永磁式直流無(wú)刷電機(jī)、電磁式直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 直流有刷電機(jī)控制性好，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的范圍可以控制的很小，反應(yīng)速度快，可以滿足雙輪平衡車對(duì)敏捷度苛刻的要求；另外，該類電動(dòng)機(jī)調(diào)速快，范圍廣，滿足了雙輪平衡車的快速性要求；過(guò)載性好，機(jī)械性能過(guò)硬，可以達(dá)到輕松爬坡，通過(guò)障礙的目的；且其本身所具有的低速平穩(wěn)性恰巧迎合了雙輪平衡車對(duì)安全性的要求。但是，因?yàn)橛袚Q向器和電刷的存在，引起的了電機(jī)的可靠性不足，使用壽命縮短，這會(huì)嚴(yán)重影響雙輪平衡車的實(shí)際使用。 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字控制方面性能較好，可以制動(dòng)和反轉(zhuǎn)、快速啟動(dòng)，抗干擾的能力也很強(qiáng)。但它也有自身的局限性，比如由于它的步距角被固定，靈活性大大降低，單步響應(yīng)的過(guò)程中有震蕩和過(guò)沖量，承載慣性負(fù)載能力弱，不利于雙輪車的平衡控制。另外，該類型電機(jī)控制線路復(fù)雜，而雙輪車結(jié)構(gòu)小巧，電機(jī)空間更小，無(wú)法滿足布線的要求。 電磁式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率小，電流恒定，轉(zhuǎn)矩比普通電機(jī)大，滿足雙輪車的動(dòng)力需求，可以提高雙輪車在復(fù)雜環(huán)境下的靈活性。但是這類電機(jī)的空載率較高，啟動(dòng)電流大，對(duì)蓄電池的壽命有一定影響。同時(shí)抗干擾性差，不利于雙輪平衡車的平穩(wěn)運(yùn)行。 直流無(wú)刷永磁式電機(jī)沒有換向器，無(wú)電刷，壽命長(zhǎng)，有較高的可靠性，而且它無(wú)需勵(lì)磁，功率因數(shù)接近1，轉(zhuǎn)化效率高。它啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小?？梢哉f(shuō)很好的滿足了雙輪自動(dòng)平衡車的動(dòng)力需求。 現(xiàn)在，我們來(lái)通過(guò)計(jì)算對(duì)電機(jī)的具體型號(hào)進(jìn)行選擇： 首先要對(duì)力矩與功率進(jìn)行換算： 式(2.1) 式（2.2） 式(2.3) 式中 P—— 功率，W； —— 角速度，ra/s; N—— 轉(zhuǎn)速，r/min; M—— 力矩，N﹒ 雙輪平衡車能承受的最大載重為200kg，最大運(yùn)行速度為20km/h,根據(jù)所要求的加速度，可以估算出驅(qū)動(dòng)力矩M的大小。根據(jù)要求的最大運(yùn)行速度，并且考慮安全情況以及傳動(dòng)效率，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的功率大致為： 式（2.4） 式中 K——安全系數(shù)； η——傳動(dòng)效率； ——車輪半徑。 所以，綜合以上因素，且考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的需求，本車將采用額定功率400w、額定電壓48v，轉(zhuǎn)速2000-4000轉(zhuǎn)的永磁式直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。它是由博世（BOSCH）公司生產(chǎn)的80BL89S40-445TFO電機(jī)。此類電機(jī)驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)勁，因此可以保證小車有足夠的力來(lái)保持平衡。電機(jī)外形如圖2-3所示。 圖2-3 博世直流無(wú)刷永磁電機(jī) 2.2.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 調(diào)速，顧名思義，是在負(fù)載的狀態(tài)下，使用一定的手段使電動(dòng)機(jī)或電源參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，以此來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)速有兩層意思。一個(gè)就是“恒速”；還有就是在某以范圍內(nèi)“變速”。一般地，永磁式直流無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)的機(jī)械特性方程基本一致，以此類比，它們的調(diào)速方法相同，共三種： 1.改變主磁通。通過(guò)改變電機(jī)磁通可以進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，但它有一定的局限性，即只能減弱，也就是說(shuō)只能在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上向上調(diào)速，是一種恒功率調(diào)速的方法。但無(wú)刷電機(jī)的定子磁場(chǎng)一般是永磁鐵產(chǎn)生的，故此種調(diào)速方法不適合無(wú)刷直流電機(jī)。 2.改變中樞供電電壓U。通過(guò)額定電壓往下來(lái)調(diào)低中樞電壓，調(diào)速也是從額定轉(zhuǎn)速往下開始的，這種屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)在給定范圍內(nèi)無(wú)極平滑調(diào)速。不可謂是一種好方法。 3.改變回路電阻R。就是在電樞回路外串聯(lián)電阻，通過(guò)改變阻值來(lái)改變電流，達(dá)到調(diào)速的目的。該法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)易，缺點(diǎn)是只能有級(jí)調(diào)速，不夠平滑，空載時(shí)更是無(wú)法調(diào)速，且串聯(lián)的電阻電能損耗大。 所以，綜上可知，直流無(wú)刷永磁式電機(jī)選取電壓調(diào)速的方法。調(diào)節(jié)電壓時(shí)要有專用的可控直流電源，故采用脈寬調(diào)制變換器運(yùn)用到設(shè)計(jì)之中。此法又稱為PWM（Pulse Frequency Modulation）。調(diào)試原理如圖2-4所示。 圖2-4脈寬調(diào)制調(diào)速原理圖 圖中符號(hào)解釋如下：S開關(guān)是脈寬調(diào)制器，外加的電源電壓默認(rèn)為固定直流電壓。當(dāng)S閉合時(shí)，電流I通過(guò)S輸送到電動(dòng)機(jī)M；S斷開時(shí)，電流中斷，M通過(guò)二極管續(xù)流，電樞電壓無(wú)線趨近于0。當(dāng)S按照固定的頻率開合，即S的開合有一定的周期性，那么，脈沖寬度也會(huì)隨之變化，從而改變平均電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。它的平均電壓為： 式（2.5） 式中：T—脈沖時(shí)鐘； t—導(dǎo)通時(shí)間； D—PWM電壓占空比（0下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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