双轮自平衡车

学校：德州学院

学生：唐文涛 焦方磊 李尧

指导老师：孟俊焕

时间：二О一四年 7 月 10日～ 10 月 6 日 共 12 周

中文摘要

两轮自平衡车是动态平衡机器人的一种。2008年我国奥运会的时候安全保卫工作使用过它,到今年两轮平衡车已经发展的相对成熟。在国家节能、降耗、环保、低碳、经济的方针政策下，两轮平衡车进行了资源整合、技术升级，在原来的两轮单轴式自平衡的基础上采取两轴双轮可折叠设计，两轮自平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、驾驶姿势多样、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、大学校园、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。也是集娱乐、代步、炫酷为一体的，主打形象是汽车伴侣解决停车后几公里内的代步问题。

两轮自平衡车主要由驱动电机、锂电池组、车轮、车身等组成。其工作原理：车体内置的精密固态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，驱动马达来做到平衡的效果。

关键词：陀螺仪，动态稳定，折叠，驱动系统，平衡。

English abstract

Two rounds of self-balancing vehicle is one of the dynamic balance of the robot. In 2008 the Olympic Games security work used it in our country, in the year to balance two rounds of car has developed relatively mature. In the national energy saving, consumption reduction, environmental protection, low carbon, economic policies and regulations, the two rounds of balance of resource integration, technology upgrades, in the original two rounds of single shaft type taken on the basis of self balancing two shaft double folding design, two rounds of self-balancing vehicle movement, flexible, intelligent control, simple operation and driving posture diversity, save energy, green environmental protection, the advantages of turning radius of 0. Apply to run in narrow space, can in a large shopping center, the international conference and exhibition venues, sports venues, office buildings, large parks and square, ecological tourism scenic spot, the university campus, city life in residential quarters and other indoor or outdoor situations as the medium and short distance transport of people. Is entertainment, walking, cool as a whole, the main image is car partner solve the problem of parking within a few kilometers after walking.

Two rounds of self-balancing vehicle is mainly composed of drive motor, lithium battery pack, wheel, body, etc. Its working principle: the body's built-in precision solid-state gyroscope to judge the body's position, through sophisticated and high-speed central microprocessor calculates the appropriate command, the drive motor to achieve the effect of the balance.

Key words: gyroscope, dynamic stability, folding, drive system, the balance.

引言：

近年来，伴随着人民生活水平的不断提高，电动自行车以及电动汽车销量不断攀升，电动车已经在城市交通中起到不可替代的作用，两轮自平衡车采取两轮自平衡智能控制，在其具有占用空间小、轻便的同时，加快了城市交通的发展。

两轮自平衡车是新一代节能、环保、便携的代步工具。平衡车适于每日通勤使用或者周末时作为一项休闲运动。

使用者把脚分别放在轮子两侧的折叠式踏板上以后，轻轻向前倾斜身体是前进，向后倾斜是停止，向左和向右倾斜身体是转弯。身体向前倾斜的越厉害，速度就越快，车内的一系列回旋装置确保它能很好地保持平衡。小巧、携带方便，直接可以放进汽车的后备箱，提到家里或是办公室。

“未来中国的城市交通将是大型公交车辆与小型电动车的系统。”中科院院士何祚庥曾如是说。当代的中国,迫于能源、污染、交通拥挤等问题的压力,已经开始重视电动交通工具的轻量化的设计与研发。于此同时,虽然中国在该领域中的技术水平和产业化程度与国外相比仍存在一定的差距,但其市场规模及其可观,发展潜力非常巨大。如今,国内基于自平衡技术平台的电动个人代步工具市场正处于萌芽期,现有产品绝大部分存在形态,体验和功能都比较单一的问题,其技术和服务体系也尚未成熟,想要获得良好的市场效应和社会认可还需要一段时间的发展。

第一章 产品简介 1

1.1产品结构 1

1.2产品参数 2

1.3动力学模型分析 3

1.4产品特点 4

第三章 驾驶注意 5

接通电源 5

尝试站立 5

前行 6

转弯 6

骑行安全 6

结论 8

参考文献 8

致谢及声明 8

附录 8

第1章 产品简介

1.1产品结构

两轮平衡车的主要组成部分有：车体、车轮、脚踏板等组成。见图1-1

图1-1

1.2产品参数

1.3动力学模型分析

一个控制系统,要想准确、定量的分析设计,提高对系统的认知和掌控能力,首先要对对象建立模型。对于两轮平衡车而言,受力分析建立力学模型是至关重要的,它是是研究控制算法,提高车子性能非常重要的过程,对于系统的参数分析的越接近于实际情况,得到的模型就越准确,控制效果就越好。动力学模型建立的方法,对于两轮车而言,牛顿法和拉格朗日法是都有各自不同的特点。牛顿法的优点是容易分析出车子内部之间力学关系,但是需要考虑的参数和变量比较多。这使得很多条件只能理想化处理,得到的模型有失准确性;应用拉格朗日建立模型只需要计算系统的能量和广义力,使得建模方法简单化,并且能够分析系统的动态特征[34]。两轮车的姿态调整是动态的、时变的,而拉格朗日动力学模型是建立在能量基础上的,可以用传感器测量每个时刻的速度、角度、角速度求出系统的动能和势能就能够实现分析系统的目的,并且之后对系统进行理论研究也需要进行能量分析,综上拉格朗日法对于两轮平衡车系统更加适合[35]。

本文分别采用牛顿力学和拉格朗日方法对系统建立模型,分析系统内部力学特性和整体特性,对于后续控制系统的搭建和控制参数和方法的选择提供了良好的理论保证。

两轮平衡车系统主要由车轮、电机和车体三个部分组成,其中电机带动的车

轮是主动机构,而车体本身是随动机构,要实现系统平衡,就要控制电机实现正反转运动来实现扭矩来实现。假设车体失去平衡向前倾斜,那么电机带动车轮就

得有个加速度来保持车体处于平衡状态,反之亦然,这样就能保持系统维持平衡状态。平衡车和单级倒立摆力学模型不同,其中单级倒立摆是靠外力实现平衡,但是平衡车系统是依靠自身的电机实现扭矩来达到系统平衡。由于系统的复杂性、非稳定、非线性性,产生了诸如随动、跟踪、鲁棒性等问题。运用牛顿法进行力学分析影响平衡车的主要参数:车身重量、车轮半径、车体重心等。为了使得系统保持动态平衡,车身重心应位于车体中心线一定角度范围之内。在这里假设系统为刚体,并忽略地面与轮胎之间的侧向滑动,根据图1-2车体模型进行受力分析,建立力学模型。在此假设系统中左右两轮对称,根据牛顿力学第二定律和的转动惯量定理可以得到左轮的力学方程,其中为转动力矩,J为系统的转动惯量,为角加速度。因为车轮没有Y轴方向的位移,所以只建立其在X轴方向的力学模型。

图1-2车体结构图

图1-3平衡车原理图

1.4动态稳定概述

运用MC9S12XS128单片机，设计一种基于电磁导航的两轮自平衡车系统，并实现车模的直立行走，自主寻迹功能。系统采用飞思卡尔十六位微处理器MC9S12XS128作为核心控制单元，通过运用各种传感器，设计稳压模块、最小系统模块、双轮测速模块、倾角测量模块、电机驱动模块和人机交互模块并编写相应程序以完成平衡控制，速度控制，转向控制三大任务。

1.5产品特点

电力驱动，节能环保。当前的代步工具的发展趋势是向着小型化，环保节能的方向发展。而随着石油能源的日益枯竭，如何有效的利用电力资源开发下一代主流代步工具成为了大家所关注的核心。电动车无疑将成为未来代步工具的主流，而两轮自平衡车进一步为未来代步工具指明了方向。

智能动态稳定系统使用户上手快，操作简单化。

车身应用多种轻型材料，减轻车身自重，更省电，使驾驶更轻便。

折叠式设计便于停放与携带，占用空间小。见图1-4、1-5

应用双电动机驱动分别装在两侧车轮轮毂上，是车体能空出更大的空间安装电池，增加续航里程。

安全的刹车系统。对与刹车的控制，一方面受芯片控制，芯片快速给出足够的反馈力矩使之刹车；另一方面人体的重心的改变也有辅助刹车的效果。

图1-4折叠前

图1-5折叠后

第三章 驾驶注意

注意事项

1. 利用辅助轮安全学习驾驶

2. 双轮平衡车是利用陀螺仪进行前后稳定的。当身体前倾，独轮车会感知到动作进行加速；当身体后仰，平衡车也会控制电机减速以维持驾驶者与车体的平衡。双轮平衡车能帮助左右平衡，不像是骑自行车一样，需要靠一定的速度和身体来控制左右平衡。

准备工作

1. 选择适合的场地：请在平坦、空旷、无机动车、人少的场地进行试车。

2. 检查车辆：驾驶前需要检查电力是否充足、摇动车辆是否有异响和松动、手动推行平衡车看车轮是否与外壳产生摩擦。

3. 最好可以找一位朋友一起学习骑行，可以提供协助，会对更快的掌握骑车技巧有帮助。

4. 参考驾驶步骤，开始学习。

使用说明

骑行双轮自平衡车一共分为5步。仔绅阅读并按照说明书指示开始学习，在前一步尚未掌握之前，不要轻易尝试后面的步骤。这样会有利于更快，更扎实的掌握骑行的基本技巧。

接通电源

1) 一只手抓住把手，将双轮自平衡车直立于地面，并将两个脚踏板展开。

2) 短按电源键可以将双轮自平衡车电源打开，此时绿灯亮起。

3) 假如发现有红灯亮起，请不要尝试骑行。

4) 推荐沿着轮子前进后退的方向前后拉动把手几次，感受车轮加减速的力度。

尝试站立

1) 将一只惯用脚站到相应的脚踏板上，注意应该站在脚踏板中心位置，方便将整个身体重心转移至该脚上。

2) 站立身体，站在脚踏板上的那只脚注意控制双轮自平衡车前后平衡，并用小腿靠紧机壳软胶。

3) 将重心逐渐地转移到在双轮自平衡车的那只脚上，过程中要求小腿，脚和双轮自平衡车能组成稳定的三角支撑，否则将很难把重心移移到双轮自平衡车上。在不能将重心成功转移至双轮自平衡车上的那只脚，另一只脚离开地面保持1-2秒钟之前，强烈建议不进行下一步骑行。

前行

1) 初级前行：

像骑自行车那样，将绝大部分重心转移到双轮自平衡车上，并且轻轻向前踩下脚踏板，同时地面上的那只脚轻轻往后一蹬，双轮自平衡车就会向前行走。就像在上一步保持单脚站立双轮自平衡车的动作一样，需要在骑行过程中尽量保持身体平衡，同时需要将地面上的那只脚快速轻盈地放到另一个脚踏板上。这一步要求至少可以骑行3-5米的距离。

2) 中级前行：

走到这一步，已经基本可以正常驾驶双轮自平衡车了。在这一步中需要注意两个要点：保持一定的速度、通过前倾后仰来控制速度。建议在骑行过程中不断积累经验，不断练习，在比较有信心可以保持骑行很长距离以后再进行下一步。

转弯

关于转弯：初学者都喜欢以转动上身的方法来进行转弯，但是那样的操作效果不好。建议通过调整左右脚踩踏的力度来调整车体的左右倾斜程度进行转弯，通过不断地练习，会达到所期待的转弯效果。

骑行安全

至此，相信已经学会了如何骑行双轮自平衡车。但是还是建议一定要在逐渐了解车辆性能的基础上，去逐渐挑战没有尝试过的动作。双轮自平衡车的动力是有限度的，超过限度双轮自平衡车会无法支撑身体，导致从车上掉下来，所以务必要小心驾驶。

充电

1. 产品内置一套锂离子电池，在第一次使用本产品前，确保电池已充满电

2. 确保在干净、干燥的环境下进行充电。充电器的电源线的一端连接交流电源插座，另一端连接双轮自平衡车，红色指示灯亮起表明充电正在进行。

3. 充电过程大约为四小时，当充电器红色指示灯变为绿时，表明充电完成。

维护保养

(一) 保存

1. 不要在潮湿的地方放置双轮自平衡车；

2. 当有一段时间没有使用双轮自平衡车时，需要定期地对设备进行充电，以免电池电量耗尽。同时电池不可被随意拆除。

(二) 更换轮胎

1. 用十字螺丝刀拧松盖子外面的所有螺丝（包括把手上的螺丝），每一边都有7个。

2. 脚踏板下面的两边各有6个螺丝，松动电源开关另一侧的六颗内六角螺丝。注意：永远不要拧动电源开关一侧的内六角螺栓。

4. 当拧开这些螺丝后，将盖子以把手为轴心翻动直至机壳不妨碍拆卸轮胎。在把手的区域有一些电线，小心取开接头不要拉断这些电线，就可以更换轮胎和修理内胎了。

5. 当修理结束后，将盖板安装到原来的位置，拧紧螺丝。

结论

本文分析了两轮自平衡车的结构及参数, 并介绍了平衡车在使用时的注意事项。采用双轮双轴折叠式车轮设计可以使车子行驶更稳定，工作更可靠。本平衡车解决了解决了现在市面上双轮平衡车体积大的缺点，用两个功率较小的驱动电机取代一个功率较大的驱动电机从而简化公控制系统。使其更稳定高效。推动了双轮平衡车的发展。

参考文献

[1]李宏伟 基于神经元的倒立摆双闭环PID控制弹箭与制导学报 2005

[2]霍亮 两轮自平衡电动车的关键技术研究工学硕士学位论文 2006 9:11

[3]唐春林 一种全数字控制的直流伺服驱动器的设计博士专家论坛 2010

[4]张伟民 两轮自平衡小车控制研究控制理论与应用 2011

[5]任金星 滤波器自适应滑模控制器在自平衡小车中的应用航空计算技术

2008

[6]霍亮 两轮自平衡电动车的关键技术 研究硕士学位论文 2010

[7]狄海江 两轮自平衡机器人中若干问题研究 硕士学位论文 2008

[8]张跃宝 两轮不稳定小车的建模与变结构控制研究.西安电子科技大学硕士论文.2007

[9]赵磊 两轮平衡车建模与系统设计 西南交通大学工学硕士论文 2010

[10]吴广鑫 坐式两轮自平衡车的系统研究 哈尔滨工程大学工学硕士 2011.12

致谢及声明

衷心的感谢指导老师孟俊焕副教授，在作品的完成过程中，给予了我们莫大的帮助，从课题的选择，到作品的完成，再到作品的修改，老师陪我们度过了十几个日日夜夜，您拿出了宝贵的休息时间，指导我们，尽心竭力的帮助我们完善作品，在此表示由衷的感谢！

本人郑重声明：所呈现的说明书，是在指导老师指导下，独立进行研究工作所得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本说明书所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

附录

电动机正反转驱动程序：

#include

unsigned char timer1;

sbit PWM=P1^2;

void system_Ini()

{

TMOD|= 0x11;

//PWM

TH1 = 0xfe; //11.0592

TL1 = 0x33;

TR1 = 1;

IE =0x8A;

}

main()

{

system_Ini();

while(1)

{ if(timer1>100) timer1=0;

if(timer1<30) PWM=0;

else PWM=1;

}

}/*************************************

[ t1 (0.5ms)中断] 中断中做 PWM 输出 ------------1000/(0.02ms*250)=200Hz*************************************/

void T1zd(void) interrupt 3 {

TH1 = 0xfe; //11.0592

TL1 = 0x33;

timer1++;

}

两轮平衡车说明书