單軸自平衡扭扭車參數(shù)計(jì)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(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)。它具有行走靈活、便利、節(jié)能等特點(diǎn)，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(shí)速保證了城市交通的及時(shí)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(jī)動(dòng)車道行駛減少了機(jī)動(dòng)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(yīng)用前景。本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)，選型電機(jī)、減速器、電池等關(guān)鍵部件及計(jì)算研究參數(shù)。

關(guān)鍵詞 單軸自平衡扭扭車；參數(shù)計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) G3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(yán)重[ 1 - 2 ]，交通阻塞導(dǎo)致時(shí)間和能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，影響著城市的效率，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的快速、持續(xù)、健康發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)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(yīng)運(yùn)而生。

單軸自平衡扭扭車是一個(gè)高度不穩(wěn)定兩輪機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有非線性、多變量、參數(shù)不確定、強(qiáng)耦合等特性[ 3 ]，其通過陀螺儀和加速度儀兩個(gè)傳感器相結(jié)合來監(jiān)測(cè)車體所處的角度及變化率，再通過單片機(jī)計(jì)算出適當(dāng)數(shù)據(jù)和發(fā)出相應(yīng)的指令，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度來達(dá)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(shí)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(dòng)力性參數(shù)為：最高車速20km/h，加速時(shí)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(shí)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(shí)間，扭扭車反應(yīng)靈敏，一般用很少時(shí)間就能達(dá)到高速運(yùn)行狀態(tài)；扭扭車為平路使用較多，偶爾會(huì)遇到上坡情況，因而設(shè)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(jī)均可獨(dú)立控制，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速控制，因此最小轉(zhuǎn)彎半徑為零，機(jī)動(dòng)靈活。

2.1 電機(jī)參數(shù)

電機(jī)作為扭扭車的執(zhí)行器，所用運(yùn)動(dòng)都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，所以電機(jī)參數(shù)確定非常重要。需要計(jì)算電機(jī)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(yùn)行時(shí)為額定工況，所需功率由以下計(jì)算所得

以上的計(jì)算是保證它的最高速度，但達(dá)到最高速度時(shí)，還需要扭扭車能夠保持平衡，所以就需要車在達(dá)到最高速度時(shí)，還保留足夠大的后備功率。通過實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)的額定功率必須是計(jì)算所需功率的3倍以上。因此，本文選定輪轂電機(jī)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(dòng)比

由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與整車最高車速之間關(guān)系確定傳動(dòng)比。我們初定輪胎為14in，通過查表可得車輪的滾動(dòng)半徑180mmr =，設(shè)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(jì)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(huì)停止工作。因此，計(jì)算時(shí)設(shè)定了一個(gè)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(dòng)力性能核算

3.1 加速時(shí)間核算

在額定功率下，設(shè)扭扭車從靜止加速到最高車速所需的時(shí)間為t，推導(dǎo)過程如下：

電機(jī)轉(zhuǎn)速

通過以上計(jì)算可得，本文設(shè)計(jì)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(shí)間為2.4s，小于預(yù)設(shè)值3s，表明動(dòng)力性良好。

3.2 最大爬坡度核算

扭扭車上坡時(shí)，主要受力為滾動(dòng)阻力、坡度阻力和驅(qū)動(dòng)力作用，其中

4 結(jié)論

本文主要對(duì)單軸自平衡扭扭車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總布置設(shè)計(jì)：提出整車設(shè)計(jì)目標(biāo)值，確定了整車布置形式；對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了選擇，包括電機(jī)、減速器、電池等；進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，主要有總體結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量參數(shù)、性能參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比大小、蓄電池參數(shù)等；對(duì)動(dòng)力性進(jìn)行校核，包括加速時(shí)間校核和最大爬坡度校核。

參考文獻(xiàn)

[1]郭繼孚，劉瑩，余柳.對(duì)中國大城市交通擁堵問題的認(rèn)識(shí)[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(duì)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(luò)的兩輪自平衡扭扭車的研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2012.