單軸自平衡扭扭車參數(shù)計算研究

翟偉良+周元新+徐文浩+葉佐鎮(zhèn)

摘 要 單軸自平衡扭扭車具有復雜的非線性系統(tǒng)，是驗證各種控制算法的理想平臺。它具有行走靈活、便利、節(jié)能等特點，得到了很大的發(fā)展。主要用于短程交通，在城市短程交通中代替汽車，10km～20km的時速保證了城市交通的及時和安全性，小體積，小重量保證了攜帶的便捷性，行駛的靈活性，而在非機動車道行駛減少了機動車道空間的使用，減輕了城市交通的壓力，有著重要的理論研究意義和廣闊的應用前景。本文主要對結(jié)構(gòu)進行總布置設計，選型電機、減速器、電池等關(guān)鍵部件及計算研究參數(shù)。

關(guān)鍵詞 單軸自平衡扭扭車；參數(shù)計算；結(jié)構(gòu)設計

中圖分類號 G3 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0002-02

1 研究背景和意義

隨著人們生活水平的提高，人均汽車保有量持續(xù)上升，致使交通擁擠問題及交通環(huán)保問題日益嚴重[ 1 - 2 ]，交通阻塞導致時間和能源的嚴重浪費，影響著城市的效率，對我國經(jīng)濟的快速、持續(xù)、健康發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅。人們急需一種新型的交通工具，扭扭車這種交通工具應運而生。

單軸自平衡扭扭車是一個高度不穩(wěn)定兩輪機器人，其動力學系統(tǒng)具有非線性、多變量、參數(shù)不確定、強耦合等特性[ 3 ]，其通過陀螺儀和加速度儀兩個傳感器相結(jié)合來監(jiān)測車體所處的角度及變化率，再通過單片機計算出適當數(shù)據(jù)和發(fā)出相應的指令，驅(qū)動電動機產(chǎn)生前進或后退的加速度來達到平衡的效果。

2 主要性能參數(shù)

根據(jù)調(diào)查，一般扭扭車最高車速為15～25km/h，從靜止加速到最高車速所用時間為2～5s，能爬上的最高坡度為15～30°；因此確定單軸自平衡扭扭車動力性參數(shù)為：最高車速20km/h，加速時間3s，最大爬坡度20°。由于扭扭車作為短程代步交通工具，車速不宜過高，否則容易造成不穩(wěn)定性，降低安全系數(shù)；加速時間是在車體允許的傾角下在平緩水泥路面連續(xù)加速到最高車速所用的時間，扭扭車反應靈敏，一般用很少時間就能達到高速運行狀態(tài)；扭扭車為平路使用較多，偶爾會遇到上坡情況，因而設定最大爬坡態(tài)度20°，以滿足不同人群的需求。

由于扭扭車左右電機均可獨立控制，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速控制，因此最小轉(zhuǎn)彎半徑為零，機動靈活。

2.1 電機參數(shù)

電機作為扭扭車的執(zhí)行器，所用運動都是由電機驅(qū)動完成，所以電機參數(shù)確定非常重要。需要計算電機的最大功率，最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)，本文中的扭扭車以最高車速運行時為額定工況，所需功率由以下計算所得

以上的計算是保證它的最高速度，但達到最高速度時，還需要扭扭車能夠保持平衡，所以就需要車在達到最高速度時，還保留足夠大的后備功率。通過實驗表明，電機的額定功率必須是計算所需功率的3倍以上。因此，本文選定輪轂電機主要參數(shù)是：額定電壓24V，額定功率500W，額定轉(zhuǎn)速4500r/min，額定扭矩1.06Nm。

2.2 傳動比

由電機額定轉(zhuǎn)速與整車最高車速之間關(guān)系確定傳動比。我們初定輪胎為14in，通過查表可得車輪的滾動半徑180mmr =，設定的最高車速20km/h333.3m/minv ==，車輪周長

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池參數(shù)確定關(guān)鍵是電池容量大小，可以通過整車巡航里程計算得到。由于受溫度、濕度、電池材料、使用情況等各種因素影響，電池不可能滿容量，更不可能完全放電，到一定電壓就會停止工作。因此，計算時設定了一個電池容量可用系數(shù)。

因此，選擇24V/15Ah串聯(lián)組裝的鋰電池組。

3 動力性能核算

3.1 加速時間核算

在額定功率下，設扭扭車從靜止加速到最高車速所需的時間為t，推導過程如下：

電機轉(zhuǎn)速

通過以上計算可得，本文設計的單軸自平衡扭扭車，在水平并且摩擦力良好的路面上，從靜止開始加速到最高車速20km/h，加速時間為2.4s，小于預設值3s，表明動力性良好。

3.2 最大爬坡度核算

扭扭車上坡時，主要受力為滾動阻力、坡度阻力和驅(qū)動力作用，其中

4 結(jié)論

本文主要對單軸自平衡扭扭車機械結(jié)構(gòu)進行了總布置設計：提出整車設計目標值，確定了整車布置形式；對關(guān)鍵部件進行了選擇，包括電機、減速器、電池等；進行參數(shù)設計，主要有總體結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量參數(shù)、性能參數(shù)、電機參數(shù)、傳動比大小、蓄電池參數(shù)等；對動力性進行校核，包括加速時間校核和最大爬坡度校核。

參考文獻

[1]郭繼孚，劉瑩，余柳.對中國大城市交通擁堵問題的認識[J].城市交通，2011，9（2）：8-13.

[2]劉紹武.淺析汽車尾氣污染的現(xiàn)狀及其防治對策[J].中國環(huán)境管理，2011（4）：31-34.

[3]付勇杰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的兩輪自平衡扭扭車的研究[D].山西：太原理工大學，2012.