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。 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。                          Two  balanced  car  design Abstract: Two-wheeled self-balancing two-wheeled vehicle combines a coaxial , independent drive , suspension structure and the inverted pendulum model of self-balancing principle , under microprocessor control is always a balanced set of intelligent and entertainment in one of the new means of transport. The vehicle chassis , power means , control means and steering components.Chassis sunken suspension structure, reducing the user's center of gravity of the body and reduces the balance control difficulty, weaken the impact of the use of dampers to improve driving comfort ; controlled in part by a gyroscope and accelerometer sensor module status monitoring body obtained accurate and stable measurement data. Real-time processing while the microprocessor status data , and thus the motor rotation is controlled by the drive module in order to maintain the balance of the vehicle body ; height adjustable steering lever can fold to accommodate users of different heights and easy transport and storage ; using batteries as a power and energy , when the vehicle deceleration or downhill can be automatically sent back more energy saving and environmental protection .Two self-balancing tour bus basic design philosophy is entertainment , economic, safe and convenient.The sports car has a flexible , intelligent control, simple operation , but it is inexpensive , cost-effective , entertainment and fitness enhancement, make up the traditional tourist vehicles bulky, power consumption and more suitable for single use shortcomings. Two-wheeled self-balancing vehicle suitable for a wider range of sightseeing , market demand , with strong marketing value and market potential. Key words:Twoself-balancingelectric vehicle, environmental,structural design,Gyro，control circuit.                         目录 第一章 绪论    ...............................................................................................................1 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 4.2.1  A/D模块...........................................................................................................24 4.2.2 PWM模块...........................................................................................................24 4.2.3  PID控制器.......................................................................................................25 4.2.4 平衡车控制程序................................................................................................26 第5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Kazuo Yamafu ji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，Kazuo Yamafu ji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Dean Kaman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Dan Piponi设计的机器人只适用于平坦路线。同年，瑞士以Felix Grasser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David P.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，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，主要功能是承载硬件电路，搭建工作平台。控制系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括直流电机、驱动器、传感器、单片机、电源、电源转换电路、处理器以及外围扩展电路等。软件系统为控制程序和控制电路。 2.2 总体结构设计     两轮自平衡小车整车机械结构包括车身、动力装置、控制装置和转向装置四大部分。                                                 图5小车结构                                   图6 车身部分结构     1车把  2伸缩调节杆  3伸缩调节器  4储物篮  5电位器  6脚踏板     7挡泥板  8车轮  9车身骨架  10电机  11螺栓  12车架-悬架连接器                          13弹簧悬架 2.3 自平衡车的工作原理 两轮自平衡电动车的平衡原理来自于倒立摆模型，由于两轮自平衡电动车的双轮平行布置在车体的左右两端，且载人时重心在双轮轴心正上方，所以它相当于一个倒立摆，是不稳定体，车体总是要向前或向后倾倒。当检测到车体向前倾斜时，内置的精密电子陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密 且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，通过让电机加速旋转来产生一个向前的加速度，这个加速度使得在双轮轴心上方的重心向后摆动，这就抵消了车体的向前倾斜，使车体的重心回到两轮中心轴的正上方，从而在竖直方向保持平衡。这一平衡是动态的，为保持车体竖直不倒，必须不断检测车体倾斜姿态，根据倾斜状况驱动电机前进或后退，来克服重心偏移现象，保持车体平衡。 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。当这条轴往前倾斜时，平衡车车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩；一方面产生让车辆前进的加速度。相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。这就是自平衡车系统所达到的的“动态平衡”。而方向控制上驾驶人只要改变自己身体的角度往前或往后倾，平衡车就会根据倾斜的方向前进或后退。而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。原则上，只要平衡车有正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。 两轮自平衡车平衡条件                                             图7 两轮自平衡系统受力分析 上图为自平衡车在坡度为的路面上行驶的动力学分析模型。假设某时刻车身相对于竖直方向有一倾角, 且在车轮上施加一顺时针方向的力矩, 使车轮沿坡面向上加速滚动, 由于惯性, 车身将有可能不绕车轴A发生转动, 而只发生平动。此时, 路面对车轮的静摩擦力为临界驱动力。 忽略空气阻力和车轮滚动阻力, 可以得到和具有以下关系：                               (1) 式中：为临界驱动力矩;为临界驱动力; 为车轮质量; R为车轮半径。     对于=0时的临界驱动力, 其表达式：                                       （2） 式中: m1为车身(包括驾驶员)质量。当时具有更一般的形式：                       （3）                   显然式(2)是式(3)在= 0时的特殊情况,即(3)对_=0的情况也适合。 将式(3)代入(1), 得：   (4) 若使>, 车身将绕轮轴A逆时针转动,最终回到竖直位置。                       第三章 机械结构系统 3.1 车身                                         图8 车身结构   车身机构的设计中车架由方管（型号Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 车架承受车身(含驾驶者)重力和悬架弹簧的支反力。和悬架一样, 可以认为4个支承点是固定的，车架只承受来自车身的压力。主要基于该车身结构能有一定的承载能力，保证机构的稳定性。材料选择质轻，结构强度大的，以便节省材料。 3.1.1 悬架    悬架采用钢板(汽车用钢板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽钢(5#,高度腿宽腰高=50324.4)焊接而成。由于车身对悬架的压力是一个激振载荷(该激振频率受悬架弹簧参数决定), 因此悬架的自振频率必须和该激振频率错开, 以免发生共振。忽略对悬架力学性能影响不大的弹簧导向柱和一些圆角。     悬架是平衡车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称【】，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证车能平顺地行驶。悬架是平衡车中的一个重要组成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到平衡车的多种使用性能。   典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。                                         图9 汽车悬架图              考虑到自平衡电动车的体积，悬架设计时体积不宜过大，要做到简单轻便。                             图10两种不同的悬架设计图     悬架弹簧是悬架装置中最重要的部件，其刚度不能过大也不能过小。刚度 过大则悬架柔度不够，起不到缓冲作用;如果刚度过小，则振幅会明显变大， 造成行车过程中的剧烈颠簸。故有必要对其进行详细设计。这里根据实际情况， 要求悬架弹簧外径满足即可， 根据工作载荷范围( 300N—1300N)，工作行程(定为15mm)，弹簧外径( D45mm)可以得出每个悬架弹簧的主要参数，设计结果如表2所示。                         表 1 悬架弹簧主要参数 材料  中径/mm 有效圈数 节距/mm 极限载荷/N  刚度/(N*mm- 1) Ф4C级碳素 40    2. 5  14. 5  417  15. 8                           也就是说，当车身在垂直方向上有震动后,悬架弹簧对悬架的反力将以22.5Hz的频率发生。 从以上的不同的悬架形式中，根据研究分析可设计为                                         图11悬架机构 3.1.2 车轮   车轮有两个作用，首先它要承受车身载荷，因此强度要足够;其次，车轮 内部安装有减速器等零部件，相当于一个容器。对车轮提出以下要求: ①强度足够;②质量尽可能小;③结构尽可能简单，易于制造。                           图12 车轮结构                           图13摩托车轮胎 由上表可知，轮惘尺寸为：     轮惘宽度x轮辆外径=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm     车轮的轮毅的外径由决定，轮毅的外径等于齿圈尺寸这个数字加上两倍的安装齿圈处的厚度。     车轮的轮毅的长度由轮轴长度决定。至于轮辐，它的形状比较自由，只要 满足强度和刚度要求就可以了。 3.1.3 惰轮   体积较大的惰轮采用玻璃纤维纤增强型PA66制造, PA66强度中等, 因具有良好的自润滑性而广泛用在润滑条件不良或不便润滑的中轻载传动场合, 加入玻璃纤维后强度得到显著提高。考虑到PA66在高温时强度急剧下降, 故与之啮合的齿圈和中心小齿轮均采用导热性能较好的金属材料制造。为保证强度, 在分析时 必须使用最恶劣的工作状态. 按照设计要求和初期设计结果, 将 代入式(4)解得：                                          惰轮驱动2只车轮, 而齿圈分度圆半径为, 故每只惰轮与齿圈间的圆周作用力为：                                           3.1.4轮轴   轮轴是车轮的中心部件，它通过一些轴承、键等与车轮内的其它零部件构成连接。负载产生的重力对车轮的压力比较大，轮轴承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，轮轴不能做得过粗，否则将不可避免地增加中心小齿轮的分度圆直径，这对提高传动比是极为不利的(轮壳尺寸有限);另一方面，轮轴也不能做得细，因为太细一方面会使内侧轴承过小，另一方面会降低轴右端键的强度。我们在定子右侧设计一凸台。                               图14定子右端凸轮     为简化问题, 按全部载荷作用于齿面上部来计算齿根的弯曲强度。限制惰轮中央的所有自由度, 将载荷换算为压强, 施加在节圆与齿顶圆之间的齿面上。从惰轮的受力分析经验结果可以得出, 惰轮轮齿会发生变形, 最大位移发生在为齿顶部位,惰轮最大等效应力发生在齿根部位, 故惰轮保证该部位的弯曲强度符合要求即可。 3.1.5配电箱   配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。正常运行时可借助手动或自动开关接通或分断电路。故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。借测量仪表可显示运行中的各种参数，还可对某些电气参数进行调整，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。   （1）应考虑到配电箱的材料，考虑其散热问题。   （2）配电箱的体积应尽可能的做大，可放置更多的蓄电池。   （3）配电箱离地面的位置不宜太低，防止摩擦，破坏内部结构。 3.2 动力装置     本车采用无刷直流电机。无刷直流电机具有效率高，启动转矩大，过载能力强，操作性能好，结构简单、牢固，免维护或少维护，体积小，质量轻等优点。电机输出动力后经减速器降速来提高输出扭矩同时降低了负载的惯量，更有利于维持车体的平衡。     简单的讲，一般的永磁式直流有刷电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在其气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生反映磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的旋转。为了实现无电刷换向的目的，直流无刷电动机一般将其电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。它采用转子位置传感器代替电刷，依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路实现与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，达到换相的目的，从而使电机工作。                                           图15 无刷直流电机     电源采用铅酸蓄电池。虽然铅酸蓄电池体积偏大，重量较重，但具有技术成熟、价格低廉、安全性高、较高的容量，较大的放电能力并可以免维护使用等突出优点。两轮自平衡电动车自身重量小且承载量不会超过1个人，速度限制在 15km/h以下也不用于远距离行驶,因此采用2节12V电动自行车铅酸蓄电池串联组成 24V供电电源.既满足使用要求又价格低廉，购买和更换都很方便。                                     图16铅酸蓄电池 3.3 转向控制装置                   图17操纵杆主体结构及内部传感器安装位置 转向操纵杆由两个螺栓与车身连接，可以左右摇。采用旋转变阻器作为转角传感器安装在操作杆与车身的连接处，它直接输出与操纵杆的转角成正比的电压值。行驶过程中运算模块根据此电压值控制向左或向右转弯及转弯角度。同时驾驶者身体的倾斜也提供一部分向心力，减小转向阻力使转向更容易。同时操纵杆高度可调节以适应不同高度时也可折叠以减小占用空间。                                             图18平衡车结构                          3.4  两轮平衡车的装配   由上述分析过程可知，该平衡车包括：两个车轮，两个悬架，车身（包括配电箱）及操纵杆。   结构连接部分为悬架和车轮之间靠4个螺钉连接且可以相互转动；车身通过连接构件被螺母压紧在悬架弹簧上；操纵杆则是靠2只螺栓和车架固定。在操纵杆与车身连接的部分用防尘罩罩住，目的为了防止该结构生锈。                           图19 两轮平衡车装配图 3.5本章小结 本章的研究内容主要包括了自平衡车系统中的机械结构的研究，有车身的设计，谈到了悬架的设计优点及其作用，还包括了车轮，配电箱的注意事项。控制转向装置的操纵杆的分析了解以及动力装置电机电源的选择。                       第四章  控制系统 4.1硬件系统的设计 4.1.1整体电路的设计 系统的输入输出包括： （1）AD转换接口（至少4路） （2）pwm接口，控制左右两个电极双方向运动，需要四路接口 （3）定时器接口（2路），测量两个电机的转速，需要两个定时器脉冲输入端口 （4）通讯接口（备用） （5）IO接口（备用） 4到8路输入输出，应用车模运行状态显示。     IO接口可控制以下的模块：单片机 ；陀螺仪及加速度计 主要实现姿态传感信号；电机驱动可驱动两个电极运行电路；电源模块中电压的转换及稳压。                            图20 硬件设计总体框图                                                                                              4.1.2 单片机 本课题所使用的单片机为MC9S12XS128，是一款专门针对汽车电子市场的高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。其总线速度高达40MHz；包括128KB FLASH和8KB DATAFLASH用于实现程序和数据存储，均带有错误校正码（ECC);单片机最小系统如下图所示；可配置8位、10或12位的ADC，3微秒的转换时间；内嵌MACAN模块用于CAN节点应用，内嵌支持LIN的增强型SCI和SPI模块；是含有16位计数器；出色的低功耗特性，带有中断唤醒功能，实现唤醒休眠系统的功能；通道的PWM，异于实现电机的控制 。可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。                                       图21单片机实物 单片机的主要性能： 最高总线传输速度可由25MHZ提升到50MHZ; 有存储保护设置、定时器功能增强； 电源供电简化等。              4.1.3 传感器模块    自平衡两轮观光车平衡运算的最主要参数是车身的倾斜度。同时还需要倾斜角速度作为运算参数，利用加速度计与陀螺仪的配合使用作为传感器模块。 ①陀螺仪是用来测量角速度信号的，通过对角速度积分，即可得到角度值。陀螺仪动态性能极佳，不易受被测 体速度和加速度影响但它容易产生漂移误差，而很小的漂移经过积分都会得到很大的角度误差。 陀螺仪的漂移问题 第一类：有规律的漂移 （1）与加速度无关的漂移：主要由电磁力矩、弹性力矩以及工艺等因素引起； （2）与加速度成正比的漂移：主要由质量不平衡等因素引起。所谓质量不平衡，是指陀螺组件的质量中心与支承中心不重合。例如，陀螺组件静平衡不精确或材料热膨胀系数不匹配，都会造成陀螺组件的质量中心偏离支承中心，从而形成质量不平衡力矩； （3）与加速度平方成正比的漂移：主要由陀螺仪结构中的弹性形变等因素引起。 第二类随机性质的漂移   陀螺随机性质的漂移主要源自于由摩擦、温度梯度等因素引起的干扰力矩。这种干扰力矩没有确定的规律性，无法用简单的方法进行补偿。陀螺随机漂移是惯性导航系统的主要误差源之一，近代高精度的惯性导航系统采用适当的滤波，以使该项漂移引起的导航定位误差减至最小。因此陀螺仪不适合单独使用。 ②加速度计是一种利用检测质量块的惯性力来测量载体加速度的敏感装置，分为线加速度计和角加速度计。加速度计通过测量重力加速度的垂直分量可以给出垂直方向的倾斜角度，加速度计静态响应好，能够准确提供静态的角度，但受动态加速度影响较大 ，不适合跟踪动态角度运动。   可见，单独使用陀螺仪或加速度计都不理想，因此用陀螺仪补偿加速度计的动态误差，用加速度计补偿陀螺仪的漂移误差，从而可获得既具有高动态响应又精确稳定的测量数据。                                                        图22陀螺仪加速传感器电路 4.1.4 无刷直流电机驱动控制电路 由于车模具有两个后轮驱动电机，因此需要两组电机驱动桥电路。需要两篇电机驱动专用芯片组成电机驱动电路。同时为了提高电源的应用效率，驱动电机的 PWM 波形采用了单极性的驱动方式。也就是在一个PWM 周期内，施加在电机上的电压为一种电压。           图23单极性PWM                      图24双极性PWM    因此每一路电机为了能够实现正反转，都需要两个PWM 信号。两个电机总共需要4 路PWM 信号。具体的驱动电路：                         图25直流电动机驱动控制电路 4.1.5电源模块驱动电路 1．采用稳压芯片将电源电压稳压到5V后，给单片机系统电路、路径识别的光电传感器电路、速度检测旋转编码器电路和驱动芯片。 2．经过一个二极管降至6.5V左右后供给转向伺服电机。 3．能够稳定的给车模提供稳定足够的电量。                                     图26电源模块驱动电路 4.1.6转向控制运算模块 运算模块包括车体状态运算和平衡控制运算部分。车体状态运算主要是将各传感器测量的数据加以融合得出车体倾斜角度值以及行车速度等；平衡控制运算部分根据保持平衡需要的行车速度和加速度或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向电机控制驱动模块发送控制指令。运算模块主要负责计算车体状态数据，向控制模块发出电机加速、减速及正反转等速度控制信号，接收电机信号进行车速度计算并通过串口向发送车速数据以供存储和分析。并且接收车体平衡姿态数据进行自平衡运算,运算模块用C语言编程。                                    4.2两轮平衡车软件系统设计 4.2.1  A/D模块 A/D转换原理 模拟信号依次通过抽样和保持（S/H ）电路和模拟转换器（A/D ）后转换为数字格式。抽样和保持电路以均匀间隔对模拟信号进行抽样，并且在每个抽样运算后在足够的时间内保持抽样值恒定，以保证输出值可以被A/D 转换器精确转换。下一步是通过模数转换器将抽样和保持电路的输出转换为数字形式。模数转换器的输出通常表示为二进制编码的形式。 4.2.2  PWM模块 PWM 调制波有8 个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数），一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个PWM 输出通道都能调制出占空比从0—100%变化的波形。 PWM的主要特点： 1、它有8 个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。 2、每一个输出通道都有一个精确的计数器。 3每个通道都可编程。 4.2.3 PID控制器     测量系统需要控制的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器具备结构简单、稳定性好、操作方便，工作性能高的特点。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为                     （式一） 其中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。 PID控制器具有原理简单、使用方便、适应范围广、对模型依赖少等特点，因此使用PID控制器实现两轮自平衡车的控制是可行的。 PID控制器设计   由小车静止时其运动方程可得到系统输入输出传递函数：                                   （式二）                                                    此时系统具有两个极点：。其中一个极点位于s平面的右半平面。根据奈奎斯特稳定判据可知系统不稳定，因此小车在静止状态不能保持平衡。 由小车受力分析可知小车平衡的条件是提供额外的回复力及阻尼，其来源为车轮与地面的摩擦力。由式可知，车轮提供的加速度的大小是根据角度及角速度的反馈得出，因此需要在控制系统中引入角度及角速度构成比例(P)微分(D)反馈环节，如图所示。               图27加入比例微分环节后的控制系统结构图 加入比例微分反馈后的系统传递函数为：                             （式三）  此时，系统的两个极点为。根据奈奎斯特稳定判据可知，系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面。要满足这一点，需要>g, >0。由此可得出结论，但>g, >0时，小车可以保持平衡，这也与上文中小车受力分析的结果相符。 在反馈环节中，与角度成比例的控制量称为比例控制；与角速度成比例的控制量称为微分控制（角速度是角度的微分）。因此上面系数，分别称为比例和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力，可以有效抑制自平衡车振荡。 控制系统的输出量为电机控制量，因而小车平衡控制的PID控制器的输出方程可写为： OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot                              （式四）        式四中，OUT_Motor为PID控制输出量，Angle为反馈倾角值，Angle_dot为反馈角速度值，Kp和Kd分别为比例系数及微分系数。      4.2.4平衡车控制程序        编写的程序可在vc6.0下运行！输入e表示输出误差，ec表示误差变化率，经过测试具有很好的控制效果，对于非线性系统和数学模型难以建立的系统来说有更好的控制效果！程序见附录                               第六章  结论   本款自平衡观光车立足于便携性、有一定的娱乐性、经济性与可持续使用性及节能环保的基本理念，主要的场所是针对各种游乐场，展会，博物馆等场所而设计，其它场所也可使用。本车采用电力驱动节能环保，操作简单适合各种人群使用，智能化的控制还增加了娱乐性。此车操纵杆可以折叠，折叠后体积小，便于存放和运输。本产品结构设计合理，外形美观，定位准确，能够迎合市场的需求，有较好的市场前景。该研究课题包括以下优点： ①操作简单，运动灵活，可零半径转向，适于小空间范围使用； ②车身采用悬架装置,可以提高驾驶舒适性和削弱冲击, 并有利于延长机件的使用寿命； ③车身设计成下沉式（U型）,降低了车身和驾驶者的重心, 减轻平衡控制难度； ④能够把刹车、下坡时车体的能量转化为电能给电池充电，提高了电池的使用时间； ⑤无刹车系统，由控制部分自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车。   缺点包括: ①两轮平衡车一种本质不稳定非线性系统。需要不断调整自身角度，才实现动态平衡，就要做好控制系统软件的设计。 ②相比较于汽车，两轮平衡车的使用范围有一定的局限性。   课题研究两轮平衡小车的机械结构及相关的元件控制系统。通过自己的理论分析能对两轮平衡车有一个细致全面的认识，详细的了解了平衡车的结构特点，及每一部分所发挥的工作性能。通过自己的参数设计来模拟平衡车相关的试验，完成平衡车的模拟装配配。                             附录 #include #include"math.h" #define PMAX    100    #define PMIN    -100   #define DMAX    100     #define DMIN    -100           #define FMAX    100       /*语言值的满幅值*/ int PFF[4]={0,12,24,48}; /*输入量D语言值特征点*/ int DFF[4]={0,16,32,64}; /*输出量U语言值特征点*/ int UFF[7]={0,15,30,45,60,75,90}; /*采用了调整因子的规则表,大误差时偏重误差,小误差时偏重误差变化*/ /*a0=0.3,a1=0.55,a2=0.74,a3=0.89   */   int rule[7][7]={ //误差变化率 -3,-2,-1, 0, 1, 2, 3     // 误差           {-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(int P,int D)   /*模糊运算引擎*/ { int    U;           /*偏差,偏差微分以及输出值的精确量*/ unsigned int   PF[2],DF[2],UF[4];   /*偏差,偏差微分以及输出值的隶属度*/ int    Pn,Dn,Un[4]; long   temp1,temp2;       /*隶属度的确定*/ /*根据PD的指定语言值获得有效隶属度*/ if(P>-PFF[3] && P=PFF[3])      {     Pn=3;   PF[0]=0;    } PF[1]=FMAX-PF[0];   if(D>-DFF[3] && D=DFF[3])      {    Dn=3;    DF[0]=0;    } DF[1]=FMAX-DF[0]; /*使用误差范围优化后的规则表rule[7][7]*/ /*输出值使用13个隶属函数,中心值由UFF[7]指定*/ /*一般都是四个规则有效*/ 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+3]; if(PF[0]<=DF[0])    UF[0]=PF[0]; else    UF[0]=DF[0]; if(PF[1]<=DF[0])    UF[1]=PF[1]; else    UF[1]=DF[0]; if(PF[0]<=DF[1])    UF[2]=PF[0]; else    UF[2]=DF[1]; if(PF[1]<=DF[1])    UF[3]=PF[1]; else    UF[3]=DF[1]; /*同隶属函数输出语言值求大*/    if(Un[0]==Un[1]) {    if(UF[0]>UF[1])     UF[1]=0;    else     UF[0]=0; } if(Un[0]==Un[2]) {    if(UF[0]>UF[2])     UF[2]=0;    else     UF[0]=0; } if(Un[0]==Un[3]) {    if(UF[0]>UF[3])     UF[3]=0;    else     UF[0]=0; } if(Un[1]==Un[2]) {    if(UF[1]>UF[2])     UF[2]=0;    else     UF[1]=0; } if(Un[1]==Un[3]) {    if(UF[1]>UF[3])     UF[3]=0;    else     UF[1]=0; } if(Un[2]==Un[3]) {    if(UF[2]>UF[3])     UF[3]=0;    else     UF[2]=0; } /*重心法反模糊*/ /*Un[]原值为输出隶属函数标号，转换为隶属函数值*/ if(Un[0]>=0)    Un[0]=UFF[Un[0]]; else    Un[0]=-UFF[-Un[0]]; if(Un[1]>=0)    Un[1]=UFF[Un[1]]; else    Un[1]=-UFF[-Un[1]]; if(Un[2]>=0)    Un[2]=UFF[Un[2]]; else    Un[2]=-UFF[-Un[2]]; if(Un[3]>=0)    Un[3]=UFF[Un[3]]; else    Un[3]=-UFF[-Un[3]];    temp1=UF[0]*Un[0]+UF[1]*Un[1]+UF[2]*Un[2]+UF[3]*Un[3]; temp2=UF[0]+UF[1]+UF[2]+UF[3]; U=temp1/temp2; return U; } void main() { int a=0,e,ec; /*int nowpoint,p1,p2=1; FILE *in,*out; in=fopen("in.txt","r"); out=fopen("out.txt","w");*/ //while(!feof(in)) while(1) {       //fscanf(in,"%d",&nowpoint);    //p1=nowpoint;    //e=0-nowpoint;    //ec= p1-p2;    printf("请输入e:");    scanf("%d",&e);         printf("请输入ec:");    scanf("%d",&ec);    a=Fuzzy(e,ec);    //fprintf(out,"%d   ",a);    //printf("%d:   ",p1);         printf("e: %d     ec: %d    ",e,ec);    printf("a: %d   \n",a);    //p2=p1; } //fclose(in); //fclose(out); }                             参考文献 张培仁, 屠运武等。 自平衡两轮电动车: 中国, 1502513A[P]. 2004-6-9。 周惠兴, 赵建萍. 两轮自平衡电动车[P]. 中国专利,2008-4-29。 程刚, 屈胜利, 刘学超。两轮自平衡小车可控角度的推导研究[J]. 伺服控制,      2008( 6): 51-53。 李言俊，张科，系统辨识理论及应用，国防工业出版社，2003．4。 崔万安， 电动自行车构造与原理[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008。 成大先， 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004。 两轮自平衡电动车的结构设计与有限元分析  张三川，彭楠，李霞 (郑州人学机械工程学院，河南郑州450001）                         谢  辞 本文是在导师王志勇老师的指导下完成的。近一年来，王老师对我进行论文指导，使我不仅都进行了精心指导。在学术上，王老师知识渊博，精益求精、务实严谨的治学态度和兢兢业业的工作作风，使我受益匪浅。论文的完成还得益于许多老师和同学的帮助，在此表示感谢。同样感谢我的家人对我默默的、无私的关爱。最后感谢各位老师对我的论文进行仔细审阅并企盼给予批评指正。