摘 要

两轮独立驱动平衡车是一种新颖的代步工具，与传统汽车类交通工具相比，平衡车有节能环保、操纵简易、小巧灵活和具有运动活力的特点，近年来受到了人们广泛的关注和喜爱。本文主要做了关于电动平衡车的平衡原理、机械结构设计和动力学模型建立三个部分的工作。平衡车想要保持平衡状态需要自身姿态的实时观测和平衡驱动，主要介绍了陀螺仪和加速度计的测量原理。还分析了平衡车行驶过程中的受力分析，其中电机不仅要输出克服阻力的驱动力，还将起着保持车体平衡的作用。平衡车的机械结构主要由车轮总成、悬架、车架和操纵杆四部分组成，本文首先对平衡车的总体布置方案做了讨论，选用轮毂电机，其后设计减速器，最后是车架、悬架和操纵杆件的设计。然后对平衡车的关键部件做了仿真受力分析，校核其安全性。平衡车在力学系统中存在三个自由度，即平衡车向前行驶，车轮绕轮轴转动和车体绕与地面竖直方向的转动，动力学模型根据拉格朗日动力学方程计算得出。

关键词 平衡车；姿态测量；控制系统；机械结构；动力学模型

Abstract

Two-wheel independent drive balance car is a new means of transport, compared with traditional vehicles, balance car has energy saving and environmental protection, easy to operate, small and flexible and has the characteristics of sports vitality, in recent years, people have been widely concerned and loved. In this paper, the balance principle, the mechanical structure design and the dynamic model of the electric balance car are mainly made up to three parts. The balance car wants to maintain the balance of its own attitude of real-time observation and balance drive, mainly introduced the gyroscope and accelerometer measurement principle. It also analyzes the force analysis of the balance car, in which the motor not only outputs the driving force to overcome the resistance, but also plays the role of keeping the body balance. The mechanical structure of the balance car consists of four parts of the wheel assembly, suspension, frame and joystick, firstly, this paper discusses the overall layout of the balance car, chooses the hub motor, then designs the reducer, and finally the design of the frame, suspension and joystick. The balance vehicle has three degrees of freedom in the mechanical system, that is, the balance vehicle goes forward, the wheel rotates around the axle and the body revolves with the vertical direction of the ground, and the kinetic model is calculated according to the Lagrange dynamic equation.

Keywords balance car; attitude measurement; control system; mechanical structure; kinetic model

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.1.1题目背景及意义 1

1.1.2研究目的 1

1.2国内外研究现状 1

1.3平衡车产品发展现状 2

1.4论文主要内容 2

1.4.1基本内容 2

1.4.2拟采用的技术方案 3

第2章 平衡车的平衡原理 4

2.1 简介 4

2.2平衡车的姿态测量和平衡控制 4

2.2.1平衡车的姿态测量 5

2.2.2平衡车的平衡控制 6

2.3 平衡车行驶的驱动力矩 7

2.3.1平衡车要克服的行驶阻力 7

2.3.2 平衡车保持平衡所需的驱动力矩 10

第3章 平衡车的结构设计与有限元分析 13

3.1平衡车总体布置 13

3.2车轮设计 14

3.2.1车轮结构方案设计 14

3.2.2车轮详细设计 15

3.3悬架设计 24

3.4车架和操纵杆设计 25

3.6关键部位的的有限元分析 26

3.6.1车架的受力分析 26

3.6.2悬架的受力分析 28

第4章 平衡车的动力学模型 30

第5章 总结 35

参考文献 36

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

1.1.1题目背景及意义

生活方式的发展趋势是智能化，便捷化，电动平衡车能顺应发展的潮流，有良好的发展前景。平衡车具有的独特的特点是环保节能。如今全球变暖等气候问题牵引着人们的注意力，工业废气的大量排放则是全球气候问题的主要原因，交通工具中的废气排放在有害气体排放中占很大比重。同时能源危机也是现阶段广泛注重的问题。这样看来，节能环保的新型交通工具必然也必须要取代传统交通工具，这种形势下平衡车的发展得到了机遇和空间。另外，从平衡车自身的特点看，它小巧玲珑，新颖时尚，而且驾驶平衡车有运动的激情和快感，这些是平衡车能吸引广泛消费者的有力优势。现阶段平衡车已经较为广泛地进入到人们视野，进入到人们日常生活，故对平衡车的理论的讨论和学习也将有极大意义。

1.1.2研究目的

平衡车是一种新型的交通工具，动力来源为电能。平衡车与传统的汽车类交通工具不同，它的两个车轮是共轴放置的，能够差动式运转，能够零半径地转向，使车体保持平衡的原理依靠的是倒立摆原理。目前的大部分研究人员对平衡车的研究和讨论是以控制系统为主要内容，机械结构设计方面涉及的较少。总结梳理横向国内外和纵向近几十年来的研究成果，能够以此为依据理解平衡车的平衡原理，设计平衡车的机械结构，以及建立平衡车的动力模型将是本文的主要内容。

1.2国内外研究现状

两轮独立驱动电动平衡车的研究开始于1987年，日本学者开始提出平衡系统的设计思想。1986年，日本学者Kazuo Yamafu设计了一台平衡车模型，模型是两轮同轴，利用陀螺仪来观测车体姿态。到了1995年，平衡车作为一项较为成熟的发明产品有美国发明家迪恩卡曼率先发明，该平衡车同样利用精密陀螺仪和倾斜传感器定频地对车体姿态状况进行测量，得到的信息由中央微处理器计算处理并发出指令，驱动马达作为执行件使车体达到动态平衡的效果。进入21世纪后世界上对平衡车的研究更加广泛，对于平衡车的平衡控制理论的研究得到极大的突破，随后平衡车的机械结构和控制系统都取得了长足的进步。

我国关于平衡车的研究开展较晚，但进步卓著。2003年，台湾国立大学制作的平衡车模型应用了模糊控制理论。2005年，哈尔滨工业大学研制出了依靠陀螺仪观测车身姿态的平衡车。随着几年来对于平衡车产品的关注度的升高，众多学者和制造厂商都花费巨大的心血投入到这上面，平衡车的控制系统和机械结构都的到了优化和完善。

1.3平衡车产品发展现状

电动平衡车这类短途便捷代步产品开发最早的是赛格威（Segway），由美国发明家迪恩·卡门的公司研发团队设计发明，并随后建立了赛格威责任有限公司。SOLOWHEEL也是在市场上占份额较大的厂商，其索罗威尔，造型精巧玲珑的自平衡电动独轮车，该产品的动力源为锂离子电池，蓄电能力极高。具有16公里每小时的最高速度，内置重力感应陀螺仪。现阶段中国智能代步工具生产厂家数目众多，呈现蓬勃兴盛之势。而平衡车鼻祖赛格威也已被小米公司收购。Robstep、乐行iNMOTION等优秀国产品牌层出不穷，并极具竞争力。