自平衡双轮电动车开发及虚拟建模方法研究

自平衡双轮电动车开发及虚拟建模方法研究 :珥责士群珥杀 。腻目挺最茸砚 :牲琴环牟 :藜【J码素磐审 :牲洫、黟掰蛳苦 群醵fI凶罕噼 :易骈雨琶地 膂; 田 oIo!qoAo!alooI三[Izzqm-Ien I8u!oueleq-jioS(,to uo!珥 罩!oIdx丑 HO p醒poqlolAIlopoW len-U!ASu!pl!n8qoaroso I :目鳍茸砚 箪擅累毕辫轻群翠涩幕拦孝昭审薅滥鳓士阜 茸观再杀千避 参y萝,彩多 890,960I 鲁 杀 酶丑 81901 钮*码责 ,四 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期:如 日期:力,2年石月,中日年勿月,甲日 学位论文作者签名:、a?套',学位论文作者签名:、‖^,静(, 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行 信息服务 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等 ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名: 彩刊 学位论文作者签名:,a专压 日期:必fz年6月f矽日 日期:(摊年易刖p日 ???????-????????????????????????????????????????????????????????????????????????????-?????????????? 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社CNKI系 列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规 定享受相关权益。 指导狮签名:枯捌 学位论文作者签名:?刁孑压 日期:7彩 2牟f月f中日 日期:沙 易年6月1乒日 摘 要 自平衡双轮电动车是一种新型清洁能源的城市代步工具，由于其操作简单、 运行灵活、体型小巧等特点，得到了人们的广泛关注;同时，其自平衡双轮系统 是一个非线性、强耦合、时变系统，对控制理论提出了挑战。但由于其高的安全 性能要求导致成本的高昂，使得其无法得到大范围使用。该论文主要研究点就是 简化设计自平衡双轮电动车机械结构，采用现有零部件及型材以降低其制造成本; 采用新的开发方式缩短开发周期和成本;开发新的装置以增加其功能。 论文对自平衡双轮电动车系统进行了总体设计，建立了其系统结构框图，并 提出了该设计的特点;并对轮毂电机、电池、主控芯片等关键部件进行了选择。 在此前提下，应用CATIA软件对整个自平衡双轮电动车的机械结构进行了三维设 计和建模及装配，且对关键零件进行了有限元分析，然后选用现有零部件和型材 制造出了该车的主体零部件。针对现有自平衡双轮车数学模型的不足，详细阐述 了根据实车设计数据利用ADAMS软件建立ADAMS多体动力学模型，并与 MATLAB,Simulink构成混合仿真模型的步骤和方法;同时采用由已有自平衡双轮 车数学模型和所研制车的设计参数构成MATLAB,Simulink模型，并对两种模型给 予相同的输入进行仿真，以验证混合模型的实效性。 通过实际制造装配过程表明，在CATIA平台设计装配的零部件具有较高的安 装性能，现有零部件和型材的使用能降低成本;通过仿真结果分析发现，基于 ADAMS和MATLAB建立的混合模型，能如实的反映出自平衡双轮车的运动状态， 这样的模型对进一步控制算法的开发具有重要意义。 ABSTRACT Dual―wheeledElectric for anewkindof Self-balancing Vehicle SDEVshort is cleanandurbanmeansof has been isdueto concern;which transport，andwidespread its characteristicsof flexible sizeandSO thesame on;at simple operation,small time， the two-wheeled isa self-balancing system，which nonlinear,strongcoupling， a forcontrol toits time??varyingsystems，poseschallenge theory(However,owinghigh to causestheSDEVcannota COSt,it safetyperformancerequirementsleadinghigh get wide ofuses(Inthis main includesthe three range thesis，thepoint followingaspects: thefirstisto the ofmechanical the simplifydesign structures，use existingcomponents and inordertoreduceits secondistoutilizethenew profiles costs;the manufacturing toshortenthe and lastistO developmentmethodology developmentcycle costs;the thenewdevicestoincreaseitsfunctions( develop The the describesoverall oftheSDEV’S its paper design system， establishes block and featuresofthis Selectthehub system diagramproposes design，and motor， andother this hasbuilt battery，masterchips keycomponents(Incontext，this paper inthree-dimensionalandassembledofthe SDEV’Sentiremechanical model，designed structure the CATIA(In hasdonefiniteelement ofthecritical using addition,it analysis used and to themain components，andexiStingcomponentsprofilesproduce ofthe directed deficienciesofthemathematical componentsSDEV(Beingagainst modeloftheSTEVandonthebasisofthevehicle built ADAMSto design,it’Sby using the whichconstituteda simulationmodelwith multi―bodydynamicsmodel，and hybrid MATLAB,Simulink(WhileMATLAB,Simulinkmodel comefromcombinationthe mathematicalmodelof SDEVandthe ofthe vehicle( existing designparametersdevelop Givethetwomodelsthesame theresultsofthesimulationabout input(Byanalyzing thetWO can effectivenessofthe toObstacle models，it verify hybridmodel(Finally,the device ofits themorg developmentideas，detaileddescriptionfunction，then impaired devicestoconductthe ofthemechanical structure( preliminarydesign The showsthat hasa installation in assemblyprocess assemblyhi【gh performance CATIA the and hasreducedcosts( platform(Using existingcomponentsprofiles simulation of resultsfoundthatthemixedmodelbasedonADAMSand Analysis MATLAB call reflectthestateofmotionoftheSDEV(Thismodelisof truly great tofurtherthe ofcontrol significance developmentalgorithms( Dual―wheel Electric model Keywords:Self-balancing Vehicle;Building modelbased onADAMS,MATLAB usingCATIA;a hybrid 目 录 第一章绪论„„„„„„。 1(1前 言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „„„(1 1(2国内外研究现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((1 1(2(1国外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„。l 1(2(2国内研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1(3研究目的及意 义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 1(4本文研究的主要内 容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((10 第二章自平衡双轮电动车总体设计„„„„„„„„„„„„„„„(1l 2(1机电一体化产品设计简 介„„„„„„„„„„„„„„„„„((11 2(2自平衡双轮电动车原理及总体设 计„„„„„„„„„„„„„((12 2(3初步选 材„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2(4本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„。15 第三章自平衡双轮电动车机械系统设计与制作„„„„„„„„((16 3(1机械系统总体设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((16 3(2 CAT认软件简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3(2(1零件三维设计模 块„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3(2(2装配设计模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„l8 3(2(3有限元分析模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„l9 3(3自平衡电动车零件的设计、实体建模及制造„„„„„„„„„„ 20 3(3(1车轮与车体连接部分设计与实体建模„„„„„„„„„„20 3(3(2车体部分设计与实体建模„„„„„„„„„„„„„„„24 3(3(3摆杆与座椅部分设计与实体建模„„„„„„„„„„„„26 3(4关键零部件有限元分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 3(4(1有限单元法基本知识„„„„„„„„„„„„„„„„„30 3(4(2车轴轴承座有限元分析„„„„„„„„„„„„„„„„31 3(4(3连接架有限元分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„33 3(4(4车架有限元分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 3(5零件装配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 3(6零部件选材与制造„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„。37 3(7本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 第四章ADAMS建模及动力学仿真„„„„„„„„„„„„„„((43 4(1虚拟样机技术简 介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43 4(2 ADAMS软件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„。43 4(2(1 ADAMS简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43 4(2(2 ADAMS动力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„(44 4(2(3 ADAMS与MATLAB联合控制„„„„„„„„„„„„„46 4(2(4轮胎与道路模型简 介„„„„„„„„„„„„„„„„„(47 4(3自平衡双轮电动车建模及动力学仿 真„„„„„„„„„„„„((48 4(3(1自平衡双轮电动车建模及参数设置„„„„„„„„„„„49 4(3(2数学模型简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53 4(3(3系统仿真设置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„55 4(3(4仿真结果分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„57 4(4本章小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((60 第五章总结„„„„„„„„„„„„„„ 5(1论文总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一6l 5(2本文不足与后续工作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61 致谢„。。„„„„„„„。„„。。。„„。。„„„„„。„(。 63 参考文献„。 附录A轮毂电机结构图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„66 附录B求解数学模型的状态方程的M文件„„„„„„„„„„67 在学期间发表的论著及取得的科研成果„„„„„„„„„„„„„69 第一章绪论 第一章绪论 1(1前言 现代科学技术的飞速发展，推动着不同学科的相互交叉于渗透，并引发了几 乎所有工程领域的技术革命和改造，这些新兴技术对人类的生活产生巨大的影响， 其中之一就是机电一体化技术。由于微电子技术的飞速发展及其向机械工业的渗 透形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、功能、生产方式等均 发生了巨大变化，特别是上世纪七十年代微电子技术的惊人发展，为机械领域带 来了功能更强大的以微型计算机为代表的微电子技术，其与机械技术有机结合， 为机械增添了“大脑”，而智能控制的加入给这颗“大脑"注入了“思维" 的能力， 为其增加了新的功能和性能，从而进入了机电一体化产品智能化时代。 本文设计的自平衡双轮电动车，正是在这样一种时代背景下产生的，它涉及 到科学研究的多个领域，包括:机电一体化技术、机械设计、电机及电机驱动技 术、微计算机技术、电子技术、智能控制理论、传感器技术、系统信息融合处理 技术、材料学等。同时也因为自平衡双轮电动车系统自身的时变、多变量、强耦 合、非线性等特性，其对控制理论的研究和应用提出了挑战，是研究不确定性系 统控制、非线性系统控制、智能控制等理论的典型装置，所以，在全世界范围内 得到了科研人员的广泛关注与深入研究【1卅。 1(2国内外研究现状 自平衡双轮电动车系统和两轮式自平衡机器人系统都属于两轮自平衡系统，它 们本质均是倒立摆系统，前者是在对后者性能及安全等方面加强而演化出来的， 因此，在介绍自平衡双轮电动车时，必须一起了解自平衡机器人的发展。 1(2(1国外研究现状 1 Parallel bicycle 1986年，日本电通大学的山滕一雄 Kazuo Yamafuji 荣誉教授提出了双轮自 平衡小车概念，并设计制造了一个两轮共轴、重心高高在上的模型小车，他称之 为平行自行车【41，如图1(1所示，在这个模型小车中，控制芯片和驱动芯片安装在 车体上部，通过控制电机以及钟摆来实现自平衡的功能。由于当时传感器技术的 2 第一章绪论 落后，通过检测一个固定在轮子上与导轨相接触的小杠杆的倾角来实现倾角传感 器的功能，因此小车只能在布置好的导轨上前后运动，无法自由移动及转弯等运 动姿态。虽然受当时计算机、传感器等技术的限制，及控制原理和控制策略的不 够成熟，双轮自平衡控制系统技术在当时并没有引起太多的关注，但无可否 认这 是自平衡双轮机器人及电动车概念的起源，意义深远。 图1(1平行自行车 Parallel Fig(1(1 bicycle 2 Segway 2001年12月，由美国发明家DeanKamen与他的DEKA研发团队发明设 计 HT Human 的世界上第一台双轮自平衡载人电动车一Segway Transporter ，通过 历时六年的研究开发正式公布，并开始量产销售，如图1(2。 Segway的出现对在双轮自平衡车的研究上具有非凡的意义，其让世人认识并 使用这种新型的代步工具，也对此后双轮自平衡车的研究有着巨大的影响，所以 有必要详细的介绍。 Segway的组成部分为由两个独立的车轮，它们由两个独立的直流无刷伺服电 机驱动;车体部分及操作摆杆三个部分组成。Segway打破了传统的“三点平衡" 观念，将人们以低重心、大而稳的底盘设计来避免倾斜的束缚中解脱出来。Segway 两轮自平衡电动车 的工作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定” Dynamic Stabilization 的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固 态陀螺仪 Solid(State Gyroscopes 来判断车身所处的姿势状态，经过精密且高速 的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动电机来实现平衡。 Segway最高速度能达到20km,h，最大载重为l18kg，并拥有强大的爬坡和越 障能力【51;其驾驶非常简单明了，驾驶者只需通过改变自身重心的位置，就能轻易 的控制Segway的前进、后退、停止、加速、减速和转弯。假设以站在车上的驾驶 第一章绪论 3 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，Segway车身 内的内 置电机会产生往前的力矩，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，另一方面产生让 车辆前进的加速度，相反，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后 的力矩达到平衡效果。因此，驾驶人只要改变自己身体的角度即往前倾或往后倾， Segway就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶者身体倾斜的程度成正 比。因此几乎所有的驾驶意图都能轻松实现。 Segway采用了5个航空级别的陀螺仪和2个液体式加速度计组成了角度测量 系统和编码器以100次,秒的频率实时监测车体的倾斜状态并对其进行平衡控制。 在实际控制测量中，只需要3个陀螺仪就可以测量车体前后和左右的倾斜。其余 的2个陀螺仪是为了防止3个工作的陀螺仪中有一个出现问题后不能正常工作的 情况发生，增加Segway的可靠性和安全性;此外，每辆Segway都拥有两套完全 相同的用于容错的冗余控制系统，当一个控制器出现故障时，另一个控制器能在 短时间内接替其所有控制功能继续工作，进一步保障了Segway出色的自平衡能力 和安全可靠性。 但正是因为Segway过分的保障其安全可靠性，使得其造价过高，一直未得到 市场的广泛认可，同时，关于其在交通法规中的定位，也造成了其推广时的尴尬。 ―-―?―?―- 参 上 刍 图1(2 HT嗍 Scooter ‘力 Segway 图1(3Balancing Fi BalancScooter‘71 Fig(1(2Segway盯‘61 g(1(3 ing Scooter 3 Balancing 2002年末，美国人Trevor Blackwell用了两周时间成功自行研制了一款与 4 第一章绪论 Scooter，如图1(3所示。 Segway相仿但造价却只有其四分之一的电动车:Balancing Scooter成本只有1 500--2000美元。 Segwayi2售价是8500美元，而Balancing Scooter采用两个带减速箱的轮椅电机来驱动车轮，使用Atmel公 司的8 Balancing 位单片机作为控制器，控制方法为PD控制，并利用铝型材和铝板来搭建车体的机 械结构，大部分零部件都是现货供应的，价格不高且节约制造时间，最高速度可 Scooter存在的缺陷，TrevorBlackwell用了三年时间对其进行了改进，于2005年1 ScooterVersion2。Version 2在传感器系统、电池系统、 月推出了改进版Balancing 机械尺寸、外形等方面都进行了更新，特别是采用了一种新的转弯方式，通过检 测转向杆的变形量代替原来陀螺仪测量身体重心侧偏量，这种方式更符合人的操 i2。 作习惯。同时，其最高速度为24km,h，超过了Segway 使用现货供应的零件及铝制型材和铝板搭建车体的机械机构，能有效的降低 造价成本与节约制造时间，这点为本车的设计制造提供了良好的启发。 4 JOE机器人和NBOT机器人 2002年，瑞士联邦工业大学工业电子实验室的FelixGrasser等人研制出应用 DSP控制器且可进行遥控操作的两轮移动机器人JoetSl，如图1(4所示。在车架上 部安装的重物模拟实际车中的驾驶者，两个车轮采用平行同轴布置，各使用 一个 直流电机驱动，因此机器人能做U型转弯和零半径回转。采用陀螺仪检测小车的 倾斜角度，同时通过对车体倾斜角度的数学积分得到车体的倾斜角度，以此来达 到机器人的倾斜姿态信息:采用电机编码器检测电机转速获得机器人的运动状态 信息，用线性状态反馈控制器来控制系统平稳。操纵者可以通过无线模块对机器 人的运动速度以及运动方向进行控制，最大速度能达到1(5m,s，并能在恶劣的条 件下运行且保持平稳。该机器人模型被认为是自平衡双轮电动的雏形。 2003年，美国南曼瑟迪斯特大学的David P(Anderson设计出双轮自平衡 机器 元构成，获得机器人姿态信息;电机的编码器能获取机器人的运动状态信息，采 用先进的模糊控制理论来控制机器人的平衡。NBOT不仅可以在平坦的路面上行 走，也可以在崎岖的路面上保持自平衡的行驶【9】。 本部分的两个机器人模型不论是在机械结构或者是控制理论方面等都对以后 自平衡双轮电动车的研究极其具有参考借鉴价值。 第一章绪论 图1(4 Joe机器人 图1(5Nbot机器人 Robot RobotNbot Fig(1(4 Joe Fig(1(5 5 i-swing和PUMA 2005年第39届日本东京汽车展，丰田公司展示了一款单座概念车i-swing， 如图1(6所示。这款车的特别之处在于它能给驾驶者提供两种不同的驾驶模式:紧 凑的双轮模式和平稳快速的三轮模式。当在较拥挤的街道行驶时，驾驶者可以使 用双轮模式，让i-swing直立起来，减小行驶空间;当在较宽敞的空间或者是公路 上时，驾驶者可以通过按钮切换到三轮模式，这样i-swing就能快速的行驶了。而 其中双轮模式，其技术就是自平衡双轮电动车技术。i-swing将双轮和三轮结合起 来，不仅互补了其各自的缺点，还拓展了双轮自平衡电动车的使用范围和安全性。 和Segway同样的问题，i-swing由于其高昂的制造成本使得其无法得到市场的广泛 认可。 但这种三轮,两轮结合的方式却正是本文设计值得借鉴的地方。 6 第一章绪论 图1(6卜swing的三轮模式 左 和双轮模式 右 Threewheels model 1ift andtwowheels Fig(1(6 model right ofi― swing 2009年，GM公司与Segway公司联手开发了出新型的双轮双座自平衡电动车 Urban and 的概念车P(U(M(A Personal Mobility AccessibilityProject ，如图1(7所 示。它在控制理论上完全继承了Segway，采用双轮并列设计，但在操作上使用了 方向盘式的手柄，外形完全改变了，并且可以两人同时乘坐，其续航里程达到56km， 第一章绪论 7 OF 此外，还有阿德莱德大学研制的EDGAR及其改进版SONEDGAR， 小巧的Winglet等都推动和丰富了自平衡电动车的研究。 1(2(2国内研究现状 总体来说，国内关于自平衡双轮系统的研究是在Segway上市后，才开始得到 研究人员的广泛关注，虽然起步较晚，但也取得了不少成绩。 2002年，台湾国立中央大学研发了一款双轮自平衡机器人，如图1(8所示。 该机器人通过陀螺仪和倾角传感器采集车体的姿态信息，然后通过无线通信将此 信号传送给上位机，经过模糊控制算法处理后，发出相应的控制信号给机器人控 制芯片FPGA，由FPGA发出相应的脉冲信号来控制小车的前后运动【m12】。 FreeMover 图1(8国立中央大学的机器人 图1(9 NationalCentral robot FreeMover Fig(1(8 Fig(1(9 University’s 2003年，中国科学技术大学自动化系和力学系联合研制出国内第一辆 双轮自 平衡电动代步车_FreeMover，如图1-9所示。此车由车体外壳、左右驱动轮 采用 永磁直流有刷电动机 、传感器、控制杆等部件构成。车体重大约30kg，可 以零半 径回转，无刹车装置。此车采用陀螺仪和加速计来采集车体的姿态信息，光电编 码盘采集电机的转速信号。将传感器采集到的信号传送到主控芯片DSP中，根据 建立的数学模型和控制算法，计算出控制电机的PWM信号值，自动控制两个电机 8 第一章绪论 的转矩，使车体能根据人体重心的偏移保持动态的平衡，自动前进、后退及转弯。 小车最高的速度可以达到10km,h，充一次电的续航为30公里左右ll卜15】。 2004年，河南科技大学也研制了一辆自平衡双轮电动车样车【九，依然采用倾 角传感器和陀螺仪，检测电动车姿态信息，控制芯片是C8051F020单片机。 2007年，北京邮电大学自动化学院对原来研发的具有自平衡的机器人的基础 上对控制系统进行了改进旧，使机器人能够载人行走，操作原理和Segway一样， 如图1(10。 2008年，哈尔滨工程大学的研究生也研制出了一辆两轮自平衡电动车，如图 息融合成姿态信息，控制直流电机转速，实现系统的动态平甜18】。 图1(10改进后的自平衡机器人 图1(11两轮自平衡电动车 robot 1 BalanceableDual―WheelScooter Fig(1(10Improvedself―balancingFig(1(1 2008年和2009年，中国农业大学分别研发了两代双轮自平衡电动车 BalanceableDual(Wheel 其最大特点是采用的是无刷轮毂电机，直接驱动左右车轮，这样既降低了机械设 计强度，也避免了由于齿轮间隙所产生的误差，提高了控制精度。这对本论文设 计工作是个很好的借鉴。 通过以上对国内外关于自平衡双轮系统的研究现状的回顾和分析，充分的认 识到了自平衡双轮电动车的发展方向，从这些研究中也吸取了不少优良设计，对 本文具有很好的指导作用。 9 第一章绪论 图1(12BDS-Basic 左 和BDS-Advance 右 BDS―BasicandBDS―Advance Fig(1(12 1(3研究目的及意义 随着城市人口密度的增大和汽车保有量连年的持续上升，造成交通的拥堵的 情况越来越严重，严重的影响了人们的出行效率;且近年来石油能源短缺危机和 污染问题越来越严重，人们急切的需要一种新型的具有清洁能源和小型化机动灵 活的代步工具，自平衡双轮电动车正是这样的背景下诞生的。 自平衡双轮电动车:采用两个车轮独立驱动的方式，使其具有灵活的转 弯特性， 甚至能实现零半径转弯;驾驶者通过控制自身身体倾斜来操作其车，操作简单; 同时，其结构简单，体积小巧，使其运动的灵活性得到了更大的发挥;最后其采 用的是能循环充电使用的电池作为能源，使得其车更清洁环保。 针对以上特点，自平衡双轮电动车主要定位于穿行在空间狭小，距离较远的场 合作为城市代步工具。因此，在现在的大型超市、机场、大型场馆、高尔夫球场、 广场公园等一些公共场所，都能看见其灵动的身影，其有着广泛的应用前景。 虽然自平衡双轮电动车的研究得到了广泛关注且也已经初具一定成果，但是 大部分只是仅限于实验，将其转化为实际的产品，大面积的推广还是面临着 许多 问题，其中最主要制约因素是为了达到良好的控制效果和安全性而造成的制造成 本昂贵。因此，综上所述，采用新的开发手段及对自平衡双轮车系统进行以降低 成本为目的新设计，对自平衡双轮车的开发和应用推广具有重要的理论意义和很 大的经济和社会效益。 10 第一章绪论 1(4本文研究的主要内容 通过前面的了解与分析，同时和同学的分工合作，本文的主要研究重点在自 平衡双轮电动车的系统总体设计、机械结构部分的设计及研制、以及研究新的设 计开发方法。本文主要做了以下三个部分工作: 1 自平衡双轮电动车系统总体设计 简要介绍自平衡双轮电动车的自平衡原理;详细阐述了本设计车的总体设计， 搭建了系统结构框图;并提出了从机械结构设计、能源、传感器、控制系统四个 方面来降低生产成本的思路。最后对关键部件进行了初步的选材，它们分别是轮 毂电机、蓄电池、传感器和主控芯片。 2 自平衡双轮电动车机械设计 在建立自平衡双轮电动车总体设计的框架下，设计整个机械结构，特别是对 折叠座椅、摆杆收缩折叠机构的创新性设计，应用三维设计软件―CAT认， 对每 个零件建模，并对关键零件进行有限元分析，然后将所有零件在CATIA,Assembly Design上装配成一个整体，保证零件制造成后转配不好出现问题，最后，具体制 造加工零部件。 3 建立基于ADAMS和MATLAB的自平衡双轮电动车混合模型 在ADAMS软件中建立自平衡双轮电动车多体动力学模型，应用其与 建立电机模型并与ADAMS模型联合组成完整的自平衡双轮电动车混合模型;应 用现有数学模型结合本车设计参数建立本自平衡双轮电动车数学模型，并在 MATLAB,Simulink平台上搭建好仿真模型:最后，同时对两种模型输入相同的信 号进行仿真对比，以验证混合模型的有效性，为自平衡双轮电动车实现虚拟的控 制性能研究奠定了基础 第二章 自平衡双轮电动车总体设计 第二章自平衡双轮电动车总体设计 2(1机电一体化产品设计简介 械功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电 子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称，它是一门机械技术、微电子技术 相互交叉、融合的产物【19】。其涉及的关键技术有机械设计技术、计算机与信息处 理技术、自动控制技术、传感与检测技术、执行与驱动技术、机电一体化总体系 统设计技术。其具体构成要素及其作用与人体构成要素的对应关系如下表: 表2(1机电一体化系统构成要素与人体构成要素对应关系 Table2(1The relationsofmechatronieconstitutetheelements corresponding systems andhumanelements 机电一体化系统构成要素 功能 人体要素 控制器 微型计算机等 控制 信息存储处理、传送 大脑 检测传感器 计测 信息收集与变换 感官 执行元件 驱动 操作 肌 肉 动力源 提供动力 能量 内脏、血液 机构 构造 骨骼 机电一体化产品设计大概可以分为以下三种类型: 1 开发新设计:全新的设计。它是在不知道具体的情况下，仅仅根据 抽象的设计原理与要求，设计出在质量和性能方面都满足要求的产品或系统。最 初的车床等产品的设计就是属于本类设计方法; 2 适应性设计:原理方案不变，仅对其功能及结构进行重新设计。如对现 有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构，或为了进行微电子 控制对机械结构进行局部适应性改动，以使产品的性能和质量提高并增加某些附 加值。例如，汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置; 3 变参数设计:在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的 规格尺寸，使其适应于量的方面有所改变的要求。例如，由于传递扭矩或速比发 生变化而重新设计传动系统和结构尺寸，属于变异性设计【201。 本文自平衡双轮电动车的设计采用第二类设计方法一适应性设计，依然是应 12 第二章 自平衡双轮电动车总体设计 用倒立摆的自平衡原理，对现有的同类产品的机械结构和传感器构成进行改进或 重新设计，同时，在现有产品功能的基础上增加了新的功能，如座椅结构，让操 纵者不仅能站着操纵本产品，也能坐着驾驶。 2(2自平衡双轮电动车原理及总体设计 本文设计的自平衡双轮电动样车其原理方案说明如下:所有自平衡双轮移动 Stabilization 的基本原理上，这是 车都是建立在一种被称为“动态稳定” Dynamic 一种类似人保持直立行走的原理，即当人体开始迈步行走时类似于一个倒立摆， 人体的重心会开始变化，人体天生的平衡器官会告知大脑这一情形，并由大脑下 达移动脚步的指令以维持人体平衡。在自平衡双轮电动车中用轮子取代了脚的功 能，复制人类高精密的平衡动作。当驾驶者想加速向前行驶时，通过身体前倾改 变车体俯仰角，此时整车向前运动，在规定倾角范围内，车体俯仰角越大，车轮 向前运动的力矩越大，车体向前速度越大;当驾驶者向后倾时，整车将向后运动; 当驾驶者直立身体时，车体减速至停止;同时，驾驶者转动车把手时，可以实现 整车的转向。 本次设计的自平衡双轮电动样车的系统结构框图如图2(1所示，通过倾角传感 器、陀螺仪和转角传感器，检测车体的俯仰角、俯仰角的角速度及车把手的转动 角度，即驾驶者的操纵指令;将车把转角、车身倾角及其角速度信号经过A,D转 换输入主控芯片，进行具体控制算法处理后，主控芯片向左右轮电机驱动器发出 控制信号;进入电机驱动器后分别进入左右电机，使得独立的左右轮电机运转， 在保持摆杆及人体平衡的前提下，实现驾驶者的驾驶意图，如车体前进、后退、 加速、减速、停止、转弯等。同时，通过左右轮的霍尔角速度传感器检测实时检 测左右轮转速，将其反馈给主控芯片，为控制器提供状态信号，同时也进一步提 高控制精度。此外，通过LCD显示屏，可实时反映整车状态，如运行速度、电池 电量、运行模式等，当电量过低或者系统出现异常时，系统通过蜂鸣器进行报警， 提醒驾驶者。 在对已有产品Segway等类似产品的外形及控制原理方面综合分析考虑的基础 上，形成了本设计样车方案，本设计样车对系统的机械结构、能源、传感器及控 制系统四个方面进行了改进或重新设计，具体方案如下: 第二章 自平衡双轮电动车总体设计 图2(1系统结构框图 Block of Fig(2(1 diagramSystem 1 机械结构设计:采用轮毂电机，代替电机加传动机构的结构，这样大大 简化了车体机械结构，减少了齿轮间隙造成的啮合误差，提高了控制精度，降低 了噪声，同时也节省了车体空间;可收叠座椅机构为驾驶者增加了另一种驾驶选 择，当驾驶者长时间站立操纵本车感觉疲劳时，可以放下座椅，享受坐着驾驶的 舒适;最后，摆杆采用可折叠收缩的结构，可以大大的减小本车的存放空间，消 除使用者存放不便的麻烦:对机械零部件及相关的一些机构的制造，以购买型材 和其他成熟产品加工而成，减少加工制造成本，节约加工时间。 2 能源:以往出现的类似产品都是以锂电池为动力源，虽然与蓄电池 比较， 其能量密度大，平均输出电压高，充放电效率高，但其价格较昂贵，导致产品价 格较高，不利于推广，本车采用摩托车专用的免维护铅蓄电池，它的输出功率、 充放电效率也较高，使用寿命长，维护成本低;同是，相比较锂电池其具有低廉 的价格优势;虽然在同样蓄电容量情况下，体积比锂离子电池大，但因本车采用 轮毂电机，节省了不少车体底部空间，所以，完全有足够的空间来安装铅蓄电池。 3 传感器:Segway使用了5个航空级别的陀螺仪及2个液体式加速度计组 成了对整车姿态的监控系统:其余同类产品，建立的姿态监控系统均是建立在高 性能但价格昂贵的陀螺仪基础上的。本设计样车打算尝试采用性能中等但价格较 低的陀螺仪，同时结合倾角传感器，组成整车姿态监控系统。 4 控制系统:本设计样车为降低成本采用低精度但价格较低的传感器，为 实现自平衡控制，对信号处理及控制算法提出了更高的要求。 14 第二章 自平衡双轮电动车总体设计 2(3初步选材 针对上文提出的改进设计方法，本文在具体设计展开之前，对其中的一些关键 部件进行了初步的选择。 1 轮毂电机的选择 本文选用了四川天灵科技有限公司生产的ZTll2(PP48V716型整体轮毂电机， 其启动力矩大，额定功率高;电机融合了其公司独有的多项专利技术，齿轮采用 其公司开发的特殊新材料，确保电机具有寿命长、体积小、重量轻、效率高等优 点。其具体性能参数如下表2(2: ZTl12一PP48V716 型号 13:26:68 齿数比 用途 快速大功率型 48V 电压 490 空转速 额定参数 800W，85,，460RPM，20NM; 性能参数 堵转电流360A; 最佳搭配 80l M 其额定输出力矩达到20NM，16寸轮毂电机最大时速能到达50Km,h， 完全满 足本设计车的技术要求。 2 电池的选择 本文初步选定了福建省闽华电源股份有限公司生产的摩托车专用免维 护铅酸 蓄电池，其型号为6-MFQ(7N，其具体参数如表2(3所示。 表2(3电池性能参数 Table2(3The of parameters performance battery 型号 稳定电压 额定容量 长?1 宽?1 高?3 约重 Kg 12 V 7 Ah 137 77 123 2(73 6-MFQ一7N 第二章 自平衡双轮电动车总体设计 15 通过将四个电池串联，组成一个48V7Ah的系统电源。 在初步满足电池容量需要的前提下，其无需维护、价格较低，也是车载电池， 能满足本论文设计车的震动等方面的性能要求。 3 传感器的选择 车体俯仰角度的测量:选用LCA310倾角传感器来测量本设计样车的车体角 度。LCA310是一款小体积低成本单轴倾角传感器，内置了最新的微机电生产工艺 倾角测量单元，体积小，功耗低，并且微机电工艺的一致性和稳定性很高， 工作 温度达到工业级N-400(+850，是一款性价比超高的倾角模块。该传感器具有良好 的特性，接口方便。 车体俯仰角角速度的测量:选用三轴数字陀螺仪模块一ITG3200芯片测量本设 计样车的俯仰角速度。整合三轴信号来消除轴间干扰及零角速度状态之偏差飘移 offset rate zero shift ;传感器内集成有三个高分辨率16-bit的模拟,数字转换器 ADCs ，无需在外接D,A转换器;MEMS结构设计与小尺寸制造技术，使其拥有 scale 的全格感测范围 full range ，O(030,s,Hz的低噪声，较强的耐震性。 4 主控芯片的选择 32 64K字节的SRAM ，不需要片外数据存储器、程序存储器，丰富的增强I,O端口 和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的ADC、4个 通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口:多达2个 作于-40。C至+105。C的温度范围，供电电压2(0V至3(6V，一系列的省电模式保 证低功耗应用的要求。 2(4本章小结 本章主要对自平衡双轮电动车进行了整体系统的设计;并通过机械结构设计、 电源、传感器及控制系统设计四个方面阐述本设计自平衡双轮电动车的特点;最 后对关键部件进行了初步的选择，它们分别是轮毂电机、蓄电池、传感器和主控 芯片。 16 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 第三章自平衡双轮电动车机械系统设计与制作 3(1机械系统总体设计 本文所开发的自平衡双轮电动车外形如图3(1所示，车体部分由承载板4和底 壳5组成，电池固定安装在底壳中;两个独立轮毂电机安装在车体的横向中轴线 上，实现共轴;摆杆2通过螺栓固联在车架上，可绕车体中轴线自由回转，另外 增加了可折叠式座椅6。 „ 7’ “’ 。一 o“- ?j ’一 1(车把手2(摆杆 3(车轮 内部集成轮毂电机 4(承载板5(底壳6(可折叠座椅 图3(1实车外形图 The ofvehicle Fig(3(1 appearance lOOmm;座位离承载板垂直高度为600mm; 车长?400mm;900mm 、摆杆长度?l 最小离地间隙 ，90mm;最大载重l OOkg;平均车速20km,h;最高车速30km,h。 本机械结构设计方案与现有产品不同的地方，主要有以下三点: 1 采用整体式轮毂电机，其将减速齿轮系统与电机集成为一体，安装在轮 毂内部，大大简化了车身机械结构，且本电机能直接购买成品，这样大大降低了 制造难度。 2 增加可折叠式座位，能有效的缓解驾驶者长期站立驾驶时产生的疲劳。 3 采用摆杆收缩加折叠结构，这样能大大的减小存放空间。 本论文选用的轮毂电机为四川天灵科技有限公司生产的ZTll2(PP48V716型整 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 17 体轮毂电机，其具体构造图如附录A所示。事实上，现代电动自行车几乎 全都采 用电动减速轮毂【2?。电机与减速齿轮系统安装在车轮轮毂内部，动力传递路线如 下:由电机转子带动原动齿轮转动，经过中间行星齿轮机构进行减速，带动和轮 毂固定安装的齿圈转动，于是车轮也转动起来，动力由电动机转子传到了车轮上。 3(2 CATIA软件简介 AidedTri(DimensionalInterface CATIA是英文Computer Application的缩写。该 软件是由法国著名飞机制造公司Dassault开发并由IBM公司负责销售的 工业设计、三维设计、工程分析计算、动态模拟与仿真、工程图生成、数控加工 到生产成产品的全过程;并广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、 电子,电器、消费品行业，特别是在航天航空、汽车及摩托车领域，CATIA一直居 于主导地位。它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。 CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业的需要，为 用户提供严密的无纸工作环境从而达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低 费用的效果。CATIA软件具有电子设计流程、电子样机、知识概念工程三大功能 特点。CATIA V5是第一个基于新一代技术和采用web标准的全新的企业级的 CAD,CAM,CAE系统【221。 结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIAV5，它将 各个模块建立于统一的数据平台上，可以为数字化企业建立针对产品整个开发过 程的工作环境。在这个环境中，设计人员可以对产品开发过程的各个方面进行仿 真，同时也为不同工作内容的设计人员之间提供完整的严密的通信交流环境。其 产品的整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造，甚 至成品在整个生命周期内的使用和维护。 CATIA软件功能强大，涵盖面广;在机械设计方面具体常用重要的功能模块 有以下这些: 零件设计PDG:Part Design 装配设计ASD:AssemblyDesign 线架和曲面设计WSF:WireframeandSurface 自由风格曲面造型FSS:FreestyleShaper 创成式外形设计GSD:Generative ShapeDesign 18 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 创成式曲面优化GSO:Generative Shape Optimizer PartStructural 创成式零件有限元分析GPS:Generative Analysis 在以下的几节，本论文将详细分析主要应用到的重要功能模块。 3(2(1零件三维设计模块 CATIA提供的三维实体建模方法主要有两种:正向实体建模和逆向实体建模。 本文主要用到的是正向建模，其建模主要在零件设计模块和自由曲面模块中完成。 零件设计模块有立方体、圆柱体、球体、环体、旋转体、扫掠体等基本特征，以 及带有或不带有技术属性的用户自定义特征构造复杂实体，用并、交、差、运算 以及用平面或雕塑曲面切割体等操作进行特征间的拼合运算。自由曲面功能模块 通过曲面、剪切曲面的等距偏移、投影、封闭和壳体转换等方法定义曲面类实体， 使用缝补操作生成复杂实体【231。 建模完成后，可以对零部件的材料进行设置，进而可以测量得到其质量、 质 心、转动惯量等信息。 3(2(2装配设计模块 装配设计 AssemblyDesign 是高效管理装配的产品，它提供了在装配环境 下可由用户控制关联关系的设计能力，通过使用自顶向下和向上的方法管理装配 层次，可真正实现装配设计和单个零件设计之间并行工程。装配设计通过使用鼠 标动作或图形化的命令建立机械设计约束，可以直观方便的将零件放置到指定位 置。 通过选择手动或者自动的方式进行更新，设计者可以重新排列产品的结构， 动态地把零件拖放到指定位置，并进行干涉和缝隙检查。系统提供了多种高效的 工作方式，如标准零件或装配件的目录库、强大的高级装配特征、自动爆炸视图 生成、自动生成BOM表等，装配设计者可以大幅减少设计时间和提高设计质量。 同时，系统还有一个直观的用户界面，它的功能强大，使用方便。其主要功能包 括: 1 产品结构工具 ProductStructureTools :用于插入、管理产品中的部件; 2 约束工具 Constraints :设置产品、部件、零件间的约束条件; 3 移动工具 Move :对产品、部件、零件进行平移、旋转、捕捉等操作; Features :对装配后的产品进行布尔运算、切割、 4 装配特征工具 Assembly 钻孔等操作; 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 19 3(2(3有限元分析模块 工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度、刚度及其运 动特性从而预知所设计的零部件是否满足要求。常用的分析工具是有限单元法， 或简称有限元法。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的 单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调 条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有 限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使求解的精确度改 变，得到与真实情况无限接近的解f25】。 现今的有限元方法发展方向之一就是，将有限元方法与CAD软件无缝集成为 一体。而CATIAV5软件正是这样一个集CAD,CAE,CAM于一体的三维参数化软 该模块，可对零件或者装配部件进行明晰的、自动的结构应力分析和振动分析， PartStructural 主要模块包括对单个零件的有限元分析GPS Generative Analysis ， S仃uctural 装配部件的有限元结构分析GSA Generative Analysis 及其它们的扩展 ElfiniStmctural 模块EST CATIA Analysis 。非分析专业的设计人员只需在模型上 添加载荷和约束，就可以快速地进行初步的有限元分析，得到分析系统对设计的 验证。本文主要用到的是对零部件及装配部件进行有限元结构分析的GSA模块。 有限元分析过程通常分为以下3个步骤:前处理、求解和后处理。GAS 模块 进行有限元结构分析基本流程如下126】: 1 设置零部件模型的材料属性; 2 对零部件模型进行初步网格划分; 3 检查模型; 4 添加连接和设置边界条件; 5 指定载荷条件; 6 设置算例的属性; 7 计算模型; 8 生成应力图以及动态演示; 9 生产。 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 3-3自平衡电动车零件的设计、实体建模及制造 本车实体建模分为三部分来进行:1(车轮与车体连接部分:2(车体部分 包括车 架、车底壳与承载板 ;3(摆杆与座椅部分。 3(3(1车轮与车体连接部分设计与实体建模 本部分设计是自平衡双轮电动车机械结构设计的主要部分，因本设计采用的 车轮是已经成型的成品，不用对其进行设计加工，本部分的设计任务是:在现有 车轮结构和尺寸的基础上，设计出合适的机械结构将车体与车轮连接起来，且使 车体能绕车轮中心轴线自由转动。 车轮部分结构图如图3(2所示，其中A处是和轮毂一体的带外螺纹的 凸台， 主要用来承载垂直方向载荷;B处带螺纹的车轴，用来固定车轮轴向位置。 i - (》-r 强 矗 氏 , 譬熏 , 2(1^x:s(, 转羁它鼍ft ;(30(5x，2 旷 I，(一A 《 ,广 ―-d船护 一 '一“ 《 -(卜均 l 墨? 盈、瞄F羔 肾7 诊呻壮 齑(-毳跫一 弩 醭?笺 觚 ??， 黼4 l I- U( I j 孵( I g-1 J|帮 l 翻:? 彳 l t3――。 j、?譬承闹 甾o 蛋 黔嗣1 L】n l j 矧垦i r 1， 《 l' 红 、妒力„ N 彰 一_翮 图3(2车轮部分结构图 The structureblockofwheels Fig(3(2 part 本部分设计思路如下:在结合轮毂电机车轮结构的基础上，利用现有车 轮轴 的外螺纹配合螺母将车轮与车体在轴向方向连接起来;利用轮毂凸台与轴承、设 计的车轴轴承座及连接架从垂直方向将车轮和车体连接起来，使车体载荷作用在 车轮上且车体能绕车轮轴线做圆周转动。 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 2l 1 内衬套与轴承 本文设计了一个带内螺纹的衬套，通过它实现与车轮轮毂的外螺纹A啮合， 轴承安装在衬套上，具体安装图如图3(3所示，通过查找机械设计手册【2刀，选用了 内径为40ram外径为62mm的深沟球轴承，其具体参数如表3(1 表3(1 深沟球轴承的技术参数 3(1Thetechnical Table of ball parametersdeepgroovebearing 型号 内径 外径 宽度 额定动载荷 额定静 负荷 极限转速 瑚啪 mm mm CXKN C盯 KN r,min 61908 40 62 12 12(2 6(92 9000 从表中可以看出选用的深沟球轴承完全能满足其使用要求。 图3(3衬套和轴承安装示意图 Theinstallation ofthebushand Fig(3(3 diagram bearing 根据附录3车轮结构图及衬套与轴承安装图3(3，在CATIAV5的零件 三维设 计模块上应用凸台、凹槽、旋转成形等命令，建立了1:1大小的车轮三维 模型，同 时，为简化零件安装，将衬套与轴承和车轮画为一个部件，其三维实体图如 图3(4 所示。 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 轴承 树套 轮轴 图3(4车轮图 Thediagramofwheel Fig(3(4 2 车轴轴承座和连接架 为使车体载荷作用到车轮上，并将车轮和车架固定起来，设计了一套车轴轴 承座及一个连接架。具体三维模型如图3(5中a图所示，车轴轴承座分为上下两部 分，通过螺栓与螺母将轴承卡在轴承座中，其中与轴承的接触圆弧面必须进行精 加工，使其表面粗糙度至少达到3(2，这样就能减少轴承的磨损;车轴轴承座与连 接架通过四个螺栓固定起来。连接架是个Z字形钢板，上板留四个通孔与车轴轴 承座的上部用螺栓螺母连接;车架安放在下板上，通过中板前后的两个通孔与车 架固定起来，同时，中板中间设计的通孔是为使车轮轴穿过，配合螺母将车轮与 连接架固定在一起，具体三维模型如图3(5中图b所示。为减轻整车质量，在保证 零件使用要求前提下，尽量减少零件非关键部分，将车轴轴承座上部分设计成内 凹圆弧外形，对连接架采用上窄下宽的外形。 本部分的车轴轴承套和连接架的三维建模均是在CATIAV5软件的零件设计 平台上完成的，车轴轴承座和连接架外形均比较简单，主要通过运用凸台， 凹槽 及倒角等命令建立这两个零件模型。 第三章 白平衡双轮电动车机械系统设计与制造 ??张 下?最矗 a(车轴轴承座 b(连接架 图3(5车轴轴承座与连接架图 The ofbush Fig(3(5 andconnectionframe diagram 车轮与车体连接部分整体转配图及分解图如图3(6和图3(7所示，从两幅图能 清晰的展现出本部分的设计结构。将车轮轴线与车轴轴承座圆弧轴线采取相合约 束;CATIAV5自带一部分常用标准零件库，如螺栓、螺母、垫片等，使用者可以 任意调用，无需自行建立这些标准件，大大的降低了工作强度并缩短了设计周期; 车轴轴承座上下部分的连接和车轴轴承座与连接架的连接均是直接调用系统自带 标准零件库的螺栓与螺母连接成一体。 至此车轮与车体连接部分的机械结构设计已经初步的完成了。 图3(6车轮与车体连接部分装配图 The ofwheeIconnectedwiththe Fig(3(6 assemblydrawing body 24 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 图3(7车轮与车体连接部分分解图 Thebreakdownofwheelconnectedwiththe Fig(3(7 drawing body 3(3(2车体部分设计与实体建模 本部分的设计部件主要包括:车架、车底壳及承载板三个零件，本部分 是整 车的主体部分，其作用是连接左右车轮，为摆杆、电池、芯片及陀螺仪、倾 角传 感器等提供安装位置，为驾驶者提供驾驶空间。 1 车架设计与实体建模 车架是整个自平衡双轮电动车的基体，连接车轮、承载板等，承受人体载荷 与车轮冲击，所以要求车架具有足够的强度和合适的刚度，同时，车架还应尽可 能质量轻。根据以上要求，凭借经验进行初步设计，然后在通过下文的有限元分 析对其进行具体的受力分析，采用质量较轻力学性能优良的矩形不锈钢管，通过 焊接组成了车架，具体长宽尺寸是400nunx350mm，其具体三维图如图3(8所示， 其中中间由两根B柱组成的空格是为主控芯片及传感器留的安装位置，在保 证车 轴螺母安装尺寸的前提下，尽量的留出宽的空格;左右两边各有三个通孔， 其中 中间的大孔是使车轴通过的;前后的两个通孔是用来与连接架组合，通过螺 栓螺 母连接将连接架和车架固定连接起来，保证车轮与车架紧密固定连接起来; 车架 前部有两根A柱，主要用来固定安装摆杆底座，采用的依然是螺栓连接方式。 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 A 图3(8车架三维实体图 frame Three―dimensionalofvehicle Fig(3(8 diagram 2 车底壳与承载板设计与三维建模 车底壳主要用来固定安放电池，其外形尺寸主要依据电池的尺寸来设计，为 了保证良好的通过性，车底壳的高度应设计的尽量的小。承载板主要的作用是为 承受人体载荷和密封车体的作用。车底壳通过与承载板连接从而达到与车架连成 一体，组成车体的主体部分。其具体装配图如图3(9 车底壳与承载板的三维建模也是在CATIAV5软件的零件设计平台上完成的， 在按设计尺寸画好草图后，主要通过运用凸台，凹槽及倒角等命令完成零件的三 维建模。 图3(9车体部分装配图 The ofvehicle Fig(3(9 assemblydrawing body 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 3(3(3摆杆与座椅部分设计与实体建模 本部分主要设计摆杆和折叠式座椅两个机构，其主要作用是有以下三点:? 当驾驶者身体发生倾斜时，给驾驶者一个支撑的作用;?折叠座椅机构，当驾驶 者感觉到疲劳时，能给驾驶者提供另一种选择: D在摆杆上部手把处安装了车把 转角传感器，将驾驶者的转向意图转化成电信号传递给主控芯片，然后实现 转向。 1 转向系统设计 在自平衡双轮电动车转向系统中，常见的有以下两种方案:在Segway中， 其摆杆底部与车体连接部位是活动的关节，驾驶者向左或右偏移重心时，摆杆上 部也随之在一定范围内绕此关节向左或向右摆动，专用转向陀螺仪检测到此重心 偏移后，将信号传递给主控芯片后，然后驱动电机实现转向;而在其他的大部分 设计中，采用的是通过采用转角传感器测量摆杆上部车把手的转动量，将信号传 递给主控芯片，通过调节左右轮电机速度差速实现转向。这两种方案，各自有各 自的优劣，前者操作直观但价格昂贵，后者价格合理但其安装转角传感器等部位 的结构较复杂。 本文设计的转向机构的要求是:结构简单，减少生产制造成本。在吸取了上 文提到的两种方案的优点后，设计出本车的转向系统:在摆杆上部车把手的左右 两端安装带角位移传感器的调速转把，通过转动相应侧的转把产生的角位移信号 然后通过主控芯片与电机实现转向，其机械结构非常简单，如图3(10所示。这样 省去了活动关节的机械结构，而带角位移传感器的转把是一个常见的用于电动自 行车上调速部件，已经是成品可以直接使用且价格便宜。 电动自行车调速转把使用的传感器一般是线性霍尔式的。感应磁力线大小的 线性霍尔元件安装在转把定子上，由蓄电池供电 一般芯片工作电压在0,5V ; 磁铁安装在转把上;当转把转动时，磁铁也跟着转动，此时霍尔元件上会产生一 个电压信号，信号经过放大后传送到主控芯片。 调速转把主要应用的原理是霍尔原理，其原理如图3(11所示。在方形导体两 端通以可以控制的电流I，并在导体的垂直方向施加磁感应强度为B的均匀磁场， 则在垂直于电流和磁场的方向上，将会产生电势差为UH的霍尔电压，如果保持导 体通过的电流I不变，改变磁场强度B，则电压UH也会随着改变，且两者成正比 的关系，所以以UH作为信号源，通过检测UH的变化，反映出磁铁转动的角度。 霍尔式传感器具有:精度高，在工作温度区内精度优于l,;线性度好，优于 u 0(1,;动态性能好:响应时间小于ls跟踪速度di,dt高于50,las;可靠性高， 失效率:入 0(43×10(6,，J、时;模块尺寸小，重量轻，易于安装等有点，在测量转 速、位移、角度等方面得到了广泛应用。霍尔式变速转把正是其中一个成熟的应 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 用，在本文中，将它用作为转向角传感器。其具体实物图如图3(12所示。三根线 分别连在霍尔的三个脚上，一般是红、黑、绿三种颜色，分别为正极、负极、信 号线。 转把 杆上 图3(10摆杆上部及车把手三维实体图 图3(11霍尔效应原理图 Three―dimensionalof 1 Fig。3(10 diagram The ofHolzer Fig(3(1 principlediagram Pendulumandhandlebar effect 图3(12霍尔式调速车把 The Fig(3(12 modulationhandlebaronHolzereffect velocity 当驾驶者想进行转向操作时，只需转动与转向相应手的转把即可，经过主控 芯片 和电机差速后，将实现驾驶者的左转意图;转把转动角度越大，其转向角度 也越 28 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 大。 同时，因没有所购买的转把的具体参数，所以，在使用前，必须对 其进行测 量与标定。 2 折叠座椅设计与三维建模 折叠式座椅是本设计车的一个特点之一，驾驶者如果长时间站立着驾驶自平 衡双轮电动车，可能会产生疲劳的感觉，或者是经常性的一种姿势操作驾驶，也 有可能会产生枯燥感，所以很有必要设计一套折叠的座椅，给驾驶者另一种驾驶 方式的选择。它能有效的缓解驾驶疲劳感和枯燥感，增加本车的使用性。 对折叠座椅设计要求是:折叠机构简单、折叠性能良好、占据空间小。 按照以上要求，设计了一个三角形的滑块折叠机构，如图3(13所示。本机构 主要由主杆、支撑杆、坐垫、及两个连接件A和B组成;主杆和支撑杆分别通过 连接件A和B与摆杆的下部连接固定，主杆和支撑杆与连接件的连接方式均采用 柱销连接，这样，主杆和支撑杆都能绕柱销转动一定角度，坐垫安装在主杆上。 主杆底部是一个凹形滑块槽，支撑杆的顶部装有一个滑块，能在其中滑动，为实 现在座位放下后实现自锁，在凹槽的尾端即远离摆杆的一端再开一个滑块截面大 小的凹槽，使得滑块滑到位后可卡在此凹槽内，防止出现滑脱的现象;当驾驶者 要使用座椅时，将支撑杆上部向外拉开，直到座椅完全放平后，此时就可以使用 座椅了;当驾驶者想要站立着使用座椅时，只需将支撑杆向摆杆方向收拢，主杆 就能放下了，其示意图如图3(14所示。 第三章 自平衡双轮电动车机械系统设计与制造 图3(14座椅折叠后三位实体图 Three―dimensional of