单轴自平衡扭扭车参数计算研究

翟伟良+周元新+徐文浩+叶佐镇

摘 要 单轴自平衡扭扭车具有复杂的非线性系统，是验证各种控制算法的理想平台。它具有行走灵活、便利、节能等特点，得到了很大的发展。主要用于短程交通，在城市短程交通中代替汽车，10km～20km的时速保证了城市交通的及时和安全性，小体积，小重量保证了携带的便捷性，行驶的灵活性，而在非机动车道行驶减少了机动车道空间的使用，减轻了城市交通的压力，有着重要的理论研究意义和广阔的应用前景。本文主要对结构进行总布置设计，选型电机、减速器、电池等关键部件及计算研究参数。

关键词 单轴自平衡扭扭车；参数计算；结构设计

中图分类号 G3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）06-0002-02

1 研究背景和意义

随着人们生活水平的提高，人均汽车保有量持续上升，致使交通拥挤问题及交通环保问题日益严重[ 1 - 2 ]，交通阻塞导致时间和能源的严重浪费，影响着城市的效率，对我国经济的快速、持续、健康发展构成严重威胁。人们急需一种新型的交通工具，扭扭车这种交通工具应运而生。

单轴自平衡扭扭车是一个高度不稳定两轮机器人，其动力学系统具有非线性、多变量、参数不确定、强耦合等特性[ 3 ]，其通过陀螺仪和加速度仪两个传感器相结合来监测车体所处的角度及变化率，再通过单片机计算出适当数据和发出相应的指令，驱动电动机产生前进或后退的加速度来达到平衡的效果。

2 主要性能参数

根据调查，一般扭扭车最高车速为15～25km/h，从静止加速到最高车速所用时间为2～5s，能爬上的最高坡度为15～30°；因此确定单轴自平衡扭扭车动力性参数为：最高车速20km/h，加速时间3s，最大爬坡度20°。由于扭扭车作为短程代步交通工具，车速不宜过高，否则容易造成不稳定性，降低安全系数；加速时间是在车体允许的倾角下在平缓水泥路面连续加速到最高车速所用的时间，扭扭车反应灵敏，一般用很少时间就能达到高速运行状态；扭扭车为平路使用较多，偶尔会遇到上坡情况，因而设定最大爬坡态度20°，以满足不同人群的需求。

由于扭扭车左右电机均可独立控制，通过控制系统实现转向差速控制，因此最小转弯半径为零，机动灵活。

2.1 电机参数

电机作为扭扭车的执行器，所用运动都是由电机驱动完成，所以电机参数确定非常重要。需要计算电机的最大功率，最高转速等参数，本文中的扭扭车以最高车速运行时为额定工况，所需功率由以下计算所得

以上的计算是保证它的最高速度，但达到最高速度时，还需要扭扭车能够保持平衡，所以就需要车在达到最高速度时，还保留足够大的后备功率。通过实验表明，电机的额定功率必须是计算所需功率的3倍以上。因此，本文选定轮毂电机主要参数是：额定电压24V，额定功率500W，额定转速4500r/min，额定扭矩1.06Nm。

2.2 传动比

由电机额定转速与整车最高车速之间关系确定传动比。我们初定轮胎为14in，通过查表可得车轮的滚动半径180mmr =，设定的最高车速20km/h333.3m/minv ==，车轮周长

2.3 锂离子电池

锂离子电池参数确定关键是电池容量大小，可以通过整车巡航里程计算得到。由于受温度、湿度、电池材料、使用情况等各种因素影响，电池不可能满容量，更不可能完全放电，到一定电压就会停止工作。因此，计算时设定了一个电池容量可用系数。

因此，選择24V/15Ah串联组装的锂电池组。

3 动力性能核算

3.1 加速时间核算

在额定功率下，设扭扭车从静止加速到最高车速所需的时间为t，推导过程如下：

电机转速

通过以上计算可得，本文设计的单轴自平衡扭扭车，在水平并且摩擦力良好的路面上，从静止开始加速到最高车速20km/h，加速时间为2.4s，小于预设值3s，表明动力性良好。

3.2 最大爬坡度核算

扭扭车上坡时，主要受力为滚动阻力、坡度阻力和驱动力作用，其中

4 结论

本文主要对单轴自平衡扭扭车机械结构进行了总布置设计：提出整车设计目标值，确定了整车布置形式；对关键部件进行了选择，包括电机、减速器、电池等；进行参数设计，主要有总体结构尺寸、质量参数、性能参数、电机参数、传动比大小、蓄电池参数等；对动力性进行校核，包括加速时间校核和最大爬坡度校核。

参考文献

[1]郭继孚，刘莹，余柳.对中国大城市交通拥堵问题的认识[J].城市交通，2011，9（2）：8-13.

[2]刘绍武.浅析汽车尾气污染的现状及其防治对策[J].中国环境管理，2011（4）：31-34.

[3]付勇杰.基于神经网络的两轮自平衡扭扭车的研究[D].山西：太原理工大学，2012.