基于AVR微處理器的電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能自動(dòng)化檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

司念朋 肖海清 李燾，2 宗藝晶，2 郭興洲，2 王宏偉*

（1.中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院 北京 100176；2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局消費(fèi)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中）

1 前言

電動(dòng)平衡車（Electrical Self-balancing Vehicles），是用于短途代步、休閑娛樂(lè)的一種綠色環(huán)保的新技術(shù)消費(fèi)品，屬于載人機(jī)器人，是目前產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的服務(wù)機(jī)器人。機(jī)械物理性能對(duì)電動(dòng)平衡車整體的可靠性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和運(yùn)行的安全性至關(guān)重要，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式依賴人工值守操作，導(dǎo)致試驗(yàn)進(jìn)程片段化，試驗(yàn)存在復(fù)現(xiàn)率低、誤差較大等問(wèn)題[1-3]。本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械物理性能試驗(yàn)的要求，對(duì)機(jī)械和控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能自動(dòng)化檢測(cè)裝置。

2 電動(dòng)平衡車的機(jī)械物理性能試驗(yàn)

電動(dòng)平衡車的主要生產(chǎn)國(guó)是中國(guó)，主要消費(fèi)國(guó)是美國(guó)、中國(guó)、歐盟，這些國(guó)家和地區(qū)無(wú)論是在生產(chǎn)制造還是市場(chǎng)準(zhǔn)入方面都有較為明確的規(guī)范，這些規(guī)范具有很高的參考價(jià)值[4-5]，其他國(guó)家和地區(qū)在電動(dòng)平衡車的技術(shù)規(guī)范方面，大多參考上述國(guó)家和地區(qū)的同類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6-11]。

涉及電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要為GB/T 34667-2017和GB/T 34668-2017，相關(guān)試驗(yàn)條款主要有[6-7]：最高設(shè)計(jì)車速試驗(yàn)（GB/T 34667-2017 Cl.5.1.2、GB/T 34667-2017 Cl.6.2.1）、制動(dòng)性能試驗(yàn)（GB/T 34667-2017 Cl.5.1.3、GB/T 34667-2017 Cl.6.2.2）、爬坡能力試驗(yàn)（GB/T 34667-2017 Cl.5.1.4、GB/T 34667-2017 Cl.6.2.3）、額定續(xù)行里程試驗(yàn)（GB/T 34667-2017 Cl.5.1.5、GB/T 34667-2017 Cl.6.2.4）等。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求和方法，本文對(duì)其試驗(yàn)程序進(jìn)行梳理和分析，以最高設(shè)計(jì)車速試驗(yàn)為例，得到實(shí)施程序?yàn)椋?/p>

（1）設(shè)定最高速率V0。（2）電動(dòng)平衡車初始速率=0。（3）電動(dòng)平衡車開始正向行駛。（4）電動(dòng)平衡車行駛達(dá)到最高速率V0保持3 s。（5）開始計(jì)時(shí)，記錄位置點(diǎn)P0。（6）電動(dòng)平衡車通過(guò)2段長(zhǎng)2 m的區(qū)間，記錄位置點(diǎn)P1、位置點(diǎn)P2，即位置點(diǎn)P0與位置點(diǎn)P1、位置點(diǎn)P1與位置點(diǎn)P2之間距離為2 m。（7）記錄通過(guò)時(shí)間t1、t2。（8）計(jì)算V1、V2，公式：

（9）判定本輪測(cè)試的有效性，V1與V2之差應(yīng)不大于較小者的5%：

（10）如有效，則計(jì)算得V正向i，如無(wú)效，則忽略本輪測(cè)試：

（11）電動(dòng)平衡車減速至速率=0。（12）電動(dòng)平衡車開始反向行駛。（13）重復(fù)步驟（4）至（11），得到V反向i。（14）重復(fù)步驟（3）至（13），再進(jìn)行4個(gè)往返。（15）在正反方向試驗(yàn)結(jié)果中，分別取2次車速較高的試驗(yàn)結(jié)果，分別為V正向max1、V正向max2、V反向max1、V反向max2。（16）判定前5輪測(cè)試的有效性，即，V正向max1、V正向max2、V反向max1、V反向max2中最低值與最高值之差應(yīng)不大于最低值的10%：

即：

（17）如無(wú)效，應(yīng)追加試驗(yàn)次數(shù)，重復(fù)步驟（3）至（13）、（15）至（17）；（18）如有效，則計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果，并判定其是否合格：

同理，分析梳理其他機(jī)械物理性能試驗(yàn)，并進(jìn)行匯總，見圖1。

圖1 電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能試驗(yàn)程序

3 影響檢測(cè)的負(fù)面因素

無(wú)論采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法（人工值守操作）、還是自動(dòng)化檢測(cè)方法對(duì)電動(dòng)平衡車進(jìn)行機(jī)械物理性能試驗(yàn)，都存在影響檢測(cè)的負(fù)面因素，導(dǎo)致測(cè)試出現(xiàn)誤差。為提高檢測(cè)裝置與標(biāo)準(zhǔn)的符合性，應(yīng)研究和分析負(fù)面因素，并進(jìn)行修正或剔除。

傳統(tǒng)檢測(cè)方法的部分試驗(yàn)，需要檢測(cè)人員親自駕駛自動(dòng)平衡車樣品實(shí)施。人工值守作業(yè)實(shí)施檢測(cè)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行人工觀測(cè)和記錄，難以觀測(cè)準(zhǔn)確，難以發(fā)現(xiàn)其中潛在的風(fēng)險(xiǎn)和危害。且檢測(cè)人員親自駕駛自動(dòng)平衡車樣品實(shí)施試驗(yàn)，難免出現(xiàn)因駕駛體重各異、熟練程度不同、駕駛姿態(tài)不同或操作不一致等，造成試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性差或出現(xiàn)檢測(cè)誤差等問(wèn)題。采取自動(dòng)化檢測(cè)方式替代人工值守操作可以直接剔除或有效修正這些負(fù)面因素。

自動(dòng)化檢測(cè)方法具有高效、準(zhǔn)確、安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的因素，如需對(duì)空氣阻力、試驗(yàn)道路、試驗(yàn)坡道等條件進(jìn)行模擬，使檢測(cè)裝置具有良好的標(biāo)準(zhǔn)符合性。試驗(yàn)裝置擬采用滾筒替代路面，對(duì)其表面進(jìn)行模擬柏油馬路路面的加工處理，使其表面平整、干燥、整潔、附著系數(shù)良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)道路路面的要求。

小說(shuō)的閱讀量是巨大的，僅憑課本教材中的節(jié)選我們只能窺視其“冰山一角”，要全視整個(gè)冰山，我們只能延伸拓展，舉一反三，在多文本閱讀思想的指引下，以課堂多文本教學(xué)為藍(lán)本，進(jìn)行大量的小說(shuō)多文本閱讀。小說(shuō)如此，其他文本亦然。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，跨篇目，跨單元，跨教材，跨課內(nèi)課外，甚至跨學(xué)科的多文本整合比較閱讀應(yīng)成為語(yǔ)文教學(xué)的常態(tài)，打破“一是一，二是二”的呆板的教學(xué)模式，在閱讀中教學(xué)，在教學(xué)中閱讀。

對(duì)上述試驗(yàn)條件的模擬需要進(jìn)行力學(xué)分析，以模擬試驗(yàn)坡道中的重力分析為例：電動(dòng)平衡車所受重力（可視為）作用于重心，方向垂直于水平面，見圖2。取坐標(biāo)軸，x軸與試驗(yàn)坡道面平行，y軸與與試驗(yàn)坡道面垂直，y'軸與水平面垂直。根據(jù)電動(dòng)平衡車工作原理，電動(dòng)平衡車踏板需與水平面平行，即中軸垂線與y'軸重合或平行，電動(dòng)平衡車才能在坡道面保持直立（靜止）。如需爬坡行駛，則電動(dòng)平衡車需前傾，即中軸垂線與y'軸存在夾角。

圖2 試驗(yàn)坡道受力分析示意圖（重力）

根據(jù)GB/T 34667-2017 Cl.6.2.3的要求，設(shè)試驗(yàn)坡道面坡度為α，電動(dòng)平衡車正向行駛達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定速率的前傾角（即電動(dòng)平衡車中軸垂線與y'軸的夾角）為β，重力（y'軸）與y軸的夾角為γ。由于重力方向垂直于水平面，與電動(dòng)平衡車姿態(tài)無(wú)關(guān)，即：

γ=α

設(shè)電動(dòng)平衡車自身質(zhì)量為mesv，根據(jù)GB/T 3466 7-2017 Cl.6.1.2和GB/T 34668-2017 Cl.4.2，加載的負(fù)載質(zhì)量為mload，則：

G=（mesv+mload）×g

電動(dòng)平衡車所受重力可以分解為在x軸和y軸的分量：

Gy=G×cosα=（mesv+mload）×g×cosα

其中，g為重力加速度（m/s2）。

電動(dòng)平衡車在試驗(yàn)坡道上行駛受到的重力，可等效為電動(dòng)平衡車在水平面上行駛時(shí)，垂直方向上（y軸）受到作用力Fy，水平面方向上（x軸）受到作用力Fx，則：

Fx=Gx=（mesv+mload）×g×sinα

Fy=Gy=（mesv+mload）×g×cosα

同理對(duì)空氣阻力、對(duì)試驗(yàn)道路、對(duì)試驗(yàn)坡道等條件進(jìn)行受力分析，結(jié)合理論研究，通過(guò)對(duì)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，模擬與標(biāo)準(zhǔn)具有良好符合性的試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)面因素的有效修正。

4 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)檢測(cè)裝置的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主體由機(jī)架、滾輪、導(dǎo)向桿、軸承、制動(dòng)器、導(dǎo)向輪組、氣缸施力組件、腳模擬組件、伺服電機(jī)、編碼器、傳感器等部件組成，主要功能有：

（1）機(jī)架用于機(jī)械裝置部分的安裝和支撐。（2）滾輪用于模擬試驗(yàn)道路，并通過(guò)控制手段，實(shí)現(xiàn)模擬水平行駛中制動(dòng)時(shí)的慣性矩、空氣阻力矩，爬坡行駛中的重力扭矩、空氣阻力矩。（3）導(dǎo)向桿用于氣缸施力組件導(dǎo)向。（4）軸承安裝在機(jī)架上，用于支撐滾輪，使其能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)。（5）制動(dòng)器用于產(chǎn)生阻力，模擬行駛中的重力矩和空氣阻力矩。（6）導(dǎo)向輪組用于固定樣品，使樣品在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生位移。（7）氣缸施力組件用于模擬施加在樣品上的重量。（8）腳模擬組件用于聯(lián)接氣缸施力組件與樣品，與樣品接觸的板尺寸為254 mm×102 mm。（9）伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)腳模擬組件，產(chǎn)生傾角，使電動(dòng)平衡車行駛、剎車或停止。（10）編碼器用于測(cè)量滾輪轉(zhuǎn)速，間接計(jì)算樣品速度。（11）傳感器用于測(cè)量氣缸施力組件對(duì)樣品施加的力。

圖3 檢測(cè)裝置機(jī)械部分示意圖

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置，使用Delta DVP-32ES200T作為控制核心，其為臺(tái)達(dá)電子公司（Delta Electronics，Inc.）生產(chǎn)的基于32位的AVR微處理器，以高速、穩(wěn)健、可靠度高而著稱，具有快速執(zhí)行程序運(yùn)算、豐富指令集、多元擴(kuò)展功能卡等特色，可應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械，支持多種通訊協(xié)議，使工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體?？刂葡到y(tǒng)電氣連接見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)電氣原理圖

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，因篇幅所限，列出對(duì)3個(gè)不同品牌型號(hào)的電動(dòng)平衡車進(jìn)行最高設(shè)計(jì)車速和額定續(xù)行里程2項(xiàng)試驗(yàn)的中間數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)以及結(jié)果判定，詳見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置能夠自動(dòng)化完成電動(dòng)平衡車的機(jī)械物理性能試驗(yàn)，具有良好的標(biāo)準(zhǔn)符合性。

表1 使用電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能自動(dòng)化檢測(cè)裝置進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)

6 結(jié)論

本文基于電動(dòng)平衡車檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于AVR微處理器的機(jī)械物理性能試驗(yàn)自動(dòng)化檢測(cè)裝置，突破了電動(dòng)平衡車機(jī)械物理性能試驗(yàn)操作依賴人工值守、進(jìn)程片段化的技術(shù)瓶頸，有效提升了試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)率，降低了試驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、集成化和高效準(zhǔn)確的檢測(cè)，且與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的符合性良好?？蓱?yīng)用于電動(dòng)平衡車設(shè)計(jì)制造和生產(chǎn)加工企業(yè)及相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，有利于檢出產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，規(guī)范市場(chǎng)秩序，保障電動(dòng)平衡車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。