两轮独立驱动电动平衡车的设计摘要两轮电动平衡车是一种能够载人直立行走的交通工具，依靠电能提供动力。

它突破了传统意义上的车的概念，其特点是：两个车轮共轴放置，差动式运动，零半径转向，依照倒立摆的原理达到动态平衡。

近年来国内外的研究方向主要是两轮平衡机器人的控制系统，针对其机械结构的研究却较少，有关平衡车机械结构的文献更少。

本文总结了国内外相关领域的研究成果，在此基础上对平衡车的平衡原理进行了介绍，建立了平衡车的动力学模型，并对平衡车的机械结构进行了设计。

所做的具体工作如下：（1）先介绍平衡车姿态测量的传感器以及为减少传感器的测量误差所常用的方法。

然后对平衡所需的驱动力矩进行了推导，为后续的机械结构设计提供理论依据。

（2）设计平衡车的机械结构。

本文所设计的平衡车由车轮、悬架、车架和操纵杆四部分组成。

轮毂电机和减速器集成在车轮内部，提高了电动车的动力性能和工作效率。

操纵杆用来控制平衡车的转向和车速。

（3）对平衡车进行动力学分析，建立了平衡车的三维动力学模型。

模型建立过程中的大部分计算由数学软件Mathematica进行。

关键词 平衡车；驱动力矩；机械结构；动力学模型；AbstractTwo‐wheeled self‐balancing electric vehicle is a way to walk upright manned vehicles , rely on electricity to power. Self‐balancing vehicle breaking the concept of vehicle in the traditional sense, it is characterized by two wheels that in one line , differential movement , zero turning radius and in accordance with the principle of inverted pendulum dynamic equilibrium. In recent years, research at home and abroad are mainly on two balancing robot control system, studies of its mechanical structure has less literature ,studies on self‐balancing vehicle’s mechanical structure even less. This paper summarizes the research results in related fields, then the principle of balancing of the vehicle was introduced,a dynamic model of the vehicle was derived，and the mechanical structure of the vehicle was designed. Specific works are as follows:(1)Describing the self‐balancing vehicle attitude measurement sensor and a method to reduce the measurement error of the sensor common .Then the required drive torque has been derived to provide a theoretical basis for the subsequent mechanical design .(2) Mechanical design of the vehicle. The vehicle is designed in this paper combined by four parts, means wheels, suspensions, frame and lever. Wheels motor and reducer integrated in the wheels inside , improve dynamic performance and efficiency of the vehicle. Joystick to control the balance of the car 's steering and speed.(3) The self‐balancing vehicle dynamics analysis, three‐dimensional dynamic model of the balance of the vehicle was derived. Most of calculations in the modeling process done by the mathematical calculation software Mathematica.Keywords: Self‐balancing vehicle; Driving torque; Mechinics structure; Dynamic model目录第1章 绪论 (1)1.1 研究的目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 论文主要内容 (4)第2章 平衡车的平衡原理 (6)2.1 简介 (6)2.2 平衡车的姿态测量和平衡控制 (7)2.2.1 平衡车的姿态测量 (7)2.2.2 平衡车的平衡控制 (10)2.3 平衡车行驶时所需的驱动力矩 (11)2.3.1 平衡车要克服的行驶阻力 (11)2.3.2 平衡车保持平衡所需的驱动力矩 (15)2.4 本章小结 (17)第3章 平衡车的机械结构设计 (18)3.1 平衡车总体方案 (18)3.2 车轮设计 (20)3.2.1 车轮结构方案设计 (20)3.2.2 车轮详细设计 (23)3.3 悬架设计 (34)3.4 车架和操纵杆设计 (36)3.5 平衡车各部件的装配 (38)3.6 本章小结 (38)第4章 平衡车的动力学模型 (40)第5章 总结 (48)致谢 (49)参考文献 (50)第1章 绪论1.1 研究的目的及意义随着我国工业水平的提高，近年来汽车产业迅速发展。

汽车保有量的增加使得城市污染和交通拥堵等问题越来越严重，这是一个世界难题。

汽车保有量的增加速度超过城市交通基础设施建设的速度是造成交通拥堵的主要原因，交通管制措施如尾号限行、推行错峰上下班等只能在对交通拥堵只能起到一定程度的缓解作用，无法从根本上解决这个问题。

另外汽车保有量的增加也使得停车更为困难，停车泊位缺口的扩大导致汽车占用人行道和自行车道停车，特别是在市中心等交通紧张地段更是如此，这进一步加剧了交通拥堵。

20实际80年代，科学家们提出并完善了双轮平衡机器人的概念，通过控制系统的合理控制，这种只有两个轮子的机器人可以保持平衡，其机械结构非常简单。

随着对上述机器人的认识的深入，有学者提出适于民用的平衡车的概念。

和双轮平衡机器人一样，运行时的平衡车质心与车轮轴线处于同一竖直平面内，通过传感器测量平衡车的空间姿态，并将测量结果传送到控制系统，控制系统根据平衡车的空间姿态进行合理的控制。

平衡车系统是一个不稳定的系统，如果没有控制的干预它就不能保持平衡。

通过控制系统并结合一些传感器，平衡车可以保持平衡并接收驾驶员的指令进行转弯、加速和减速。

对于一般的交通工具如普通自行车等，驾驶人需要自己进行平衡控制，与此不同，原则上平衡车只要电力充足，驾驶人和车身就不会翻倒。

平衡车无污染且操作容易、灵活性强、结构简单，非常适合作为代步工具。

在使用过程中，平衡车的主要优点如下：（1）占地面积较小，在要求运输灵活或场地面积小的场合非常实用；（2）旋转灵活，平衡车两个轮胎并且车轮轴线共线，从而能实现零半径转弯，可以在狭窄的空间内灵活运动；（3）驾驶简单，平衡车的平衡由控制系统控制保持，驾驶人只需控制车速和转向；（4）无刹车系统，平衡车行驶过程中的加速和减速都可以通过改变重心位置来实现；（5）由于控制系统和轮毂电机的使用，平衡车的机械结构可以得到很大程度的简化，与一般的交通工具相比平衡车可以做的更小更轻；（6）平衡车的驱动功率较小，使得电池可以长时间供电，增加了平衡车的行驶距离，从而更为实用。

作为汽车高密度的国家，我国的交通正愈加拥挤，平衡车的上述优点就使得它非常适合作为一个代步工具。

同时，作为不稳定的两轮系统，平衡车具有非线性、强耦合、多变量的特性，可以作为典型装置来检验各种控制理论。

平衡车的设计制造需要很多不同领域的知识，例如机械学、控制理论和控制技术、单片机和嵌入式计算机技术、蓄电池及材料技术等，其应用价值和研究背景都非常广泛。

1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状早在20世纪80年代，平衡车的理念就已经被提出，但当时的控制器性能低下，无法采用先进的算法保持平衡车的平衡，而且当时的微机械技术很不发达，生产的传感器无法及时准确的获取平衡车的空间姿态，所以这一理念在当时并没有受到相应的重视。

2001年，较为成熟的电动平衡车产品Segway由美国发明家迪恩卡曼公布[1]，图1-1给出了Segway的实体图，它是全球第一个真正商业化的平衡车。

Segway 的电机和控制系统及传感器等都由锂电池供电，空间姿态通过5个陀螺仪检测，每秒采样率高达5000次，通过操纵杆来控制转向。

与同时代其它类型的平衡车相比，Segway更为安全，造型也更为美观。

其主要参数如下：整车重量：54.4 kg(越野型)、47.7 kg(规格)最高时速：20 km/h满电量行程：19 km(越野型)、48 km（规格)价格：59000元(越野型)、56000元(规格)Segway颠覆了交通工具传统的低重心、三点平衡、稳定地盘的设计方法，所以在其推出初期，很多专家都非常看好这款产品。

Segway的设计非常复杂，它使用的陀螺仪是航空级的，5个陀螺仪中的3个用于空间姿态的检测，剩余的两个用于冗余。

其主控芯片采用德州仪器生产的DSP芯片，为了提高系统的稳定性，Segway有两块主控芯片，当一块发生故障时，另一块可以实现上一块的所有功能，保证Segway的正常运行。

Segway的主控芯片中导入了合适的控制软件，负责对整车进行监测和调控。

然而Segway的价格十分高昂，作为新概念产品其安全性也无法确保，故而它的推广使用并不顺利。