自平衡双轴电动车的设计与研究

自平衡双轴电动车的设计与研究

陈祥   ,张智源   ,王东辉   ,贾尚书   ,李军*

哈尔滨石油学院    黑龙江哈尔滨     150028

摘要:双轴电动车在我国应用广泛，但由于受气候的影响，北方地区利用率低，针对该情况，本文设计了一种自平衡双轴电动车，并对该车的静态平衡条件进行了分析，设计了系统软件及控制器，并通过实验模型验证了方案的可行性，为北方电动车市场的开拓奠定了基础。

关键词：自平衡；双轴电动车；PID控制

0.前言

双轴电动车在我国是一种重要的交通工具，它具有体积小、方便灵活、价格低且污染小的特点[1]，因此双轴电动车一直受到“打工族”的青睐，特别是在我国的南方地区。然而，在我国北方特别是东北地区，冬季寒冷且时间长，由于气候条件的限制，双轴电动车的使用相对较少。本文主要设计了一种自平衡双轴电动车，该电动车通过自平衡功能增加了其行驶性能，从而可以在外部增加防护罩，使其更加安全可靠，且适应北方的寒冷季节。

1.结构设计

1.1概念模型设计

本设计的自平衡双轴电动车概念模型如图 1所示，该设计在传统电动车的基础上增加了自平衡系统以及防护罩。自平衡系统可以让双轴电动车在等待时保持平衡，驾驶员无需下车；防护罩能够起到保护及保温功能，使该电动车适用于寒冷的冬季。

图1 自平衡双轴电动车概念模型

1.2实验模型设计

该电动车的实验模型如图2所示，主要由车体、方向盘、电机及平衡轮、控制模块、电源、编码器等组成。主控芯片采用STM32F103C8T6，运算速率可达72MHZ；行进电机为MG310直流减速电机(带霍尔编码器)，平衡轮电机为MG545直流减速电机(带霍尔编码器)，方向盘采用舵机控制；电源为11.1V，1500mah航模电池。

图2 自平衡双轴电动车实验模型

2.静态平衡分析

电动车在行进中的平衡与自行车的平衡相同，对于驾驶员来说很容易控制[2]，而在行驶过程中往往需要临时停车，例如等待红灯时，但由于本设计增加了防护罩，驾驶员不能像驾驶传统电动车一样将一只脚作为支撑来临时停车，因此静态平衡性能至关重要。

2.1平衡模型简化

该自平衡电动车系统主要由车体、车轮(包括前轮和后轮)，和平衡轮装置组成。本节主要分析临时停车时的侧向(驾驶员左右方向)平衡原理，可将模型进行简化。当从车体正向(驾驶员前后方向)投影时，可将车轮、车体和电机视为整体，并看作杆件，杆件质量即为车体、车轮及电机的总体质量，重心高度即为整体重心高度，而平衡轮安装在杆的中轴线上，并可自由旋转，同时杆件可绕原点(与地面接触点)转动，简化后模型如图3所示。图中点为车轮与地面的接触点，不考虑电动车的侧向滑动，当重力偏离轴线时，车体绕点转动，如图3(b)所示。

(a)平衡状态                 (b)倾倒状态

图3 自平衡电动车侧向简化模型

2.2简化模型分析

当电动车平稳运行时，角，如图3(a)所示，此时平衡轮静止。当重力受干扰偏离Y轴线后，车体向一边倾倒，即，如图3(b)所示，此时重力产生了一个使车体绕点旋转的力矩。为防止车体完全倾倒，需要平衡轮提供与重力产生旋转力矩相反的力矩，因此需要平衡轮与倾倒方向同向旋转，利用作用力与反作用力的关系为车体提供反向力矩，并通过控制平衡轮转速来调节力矩大小，从而保持车体平衡[3]。

在简化系统中，设杆的长度为，质量为，绕点旋转的转动惯量为，角加速度为；平衡轮的外径为，内径为，质量为，绕点旋转的转动惯量为，角加速度为；系统重心距离点高度为；系统的总转动惯量为，根据平行轴定理则有：

                         （2-1）

由于平衡轮中心部分的转动惯量远小于边缘部分的转动惯量，所以可忽略不计，此时则有：

                             （2-2）

                            （2-3）

倾倒过程中重力产生的力矩为：

                    （2-4）

若要保持电动车的稳定，就要保持飞轮产生的反向力矩，即：

                   （2-5）

根据公式(2-3)和(2-5)得：

                      （2-6）

由此可知，只要平衡轮的角加速度满足公式(2-6)即可实现电动车的自平衡功能。

3.软件及控制器设计

3.1软件设计

软件采用模块化设计，操作系统为FreeRTOS系统，该系统具有实时性，开源性，可靠性和多平台支持等特点[4]。FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。此外，该系统还同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间[5]。自平衡电动车软件流程框图如图4所示，“Sensor Sample Task”为主任务，优先级最高，运行周期为5ms。

图4 自平衡电动车软件系统流程图

3.2 PID控制器设计

PID控制算法在工业生产中应用广泛，该控制算法结构简单、性能稳定且调试方便[6]。自平衡电动车的控制目标是保持平衡，即侧倾角，因此将侧倾角度作为输入量，并通过PID控制器控制平衡轮电机，使平衡轮的角加速度满足式(2-6)，控制系统框图如下所示。

图5 自平衡电动车控制框图

平衡轮电机上的编码器周期性的读取数据并转化成自平衡电动车的侧倾角度，然后与期望值()进行比较，控制器根据差值对平衡轮电机输出不同的脉冲宽度调制波形，从而控制平衡轮电机转速与转向，使之产生与车体倾斜方向反向的力矩保持车体平衡。

4.结语

本文设计了一种双轴自平衡电动车，并分析了满足静态平衡时的条件，通过模型验证了可行性。因其自平衡性能，在暂时停车时无需双脚支撑，可在整车外部加装防护罩，提升该车的安全性和保暖性，能够进一步的拓展北方市场，特别是东北地区。

参考文献

[1]井爽. 自平衡双轮电动车控制系统研究与实现[D].河北工程大学,2017.

[2]张佳乐,赵睿英,冯艳丽,杨皓,武琳琳.基于Udwadia-Kalaba理论的自行车机器人平衡控制方法[J].工程科学学报,2023,45(02):318-325.DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.27.007.

[3]曾静. 无人自平衡自行车系统的设计[D].重庆大学

[4]琚子晗,白贺,杨喜童.基于Freertos与ARM的智能探索机器人系统设计与实现[J].机械工程师,2021(06):37-39+42.

[5] 黄鹏程. 嵌入式实时操作系统FreeRTOS在ARM7上移植的实现[J].通信市场,2009(05):59-64

[6]牛宏侠,侯涛.基于竞赛自平衡小车的双闭环控制设计与仿真研究[J].自动化与仪器仪表,2012(05):26-27.

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(S202213299044):自平衡双轮电动车系统设计。

第一作者简介：陈 祥(2002—)，男，本科生，主要从事机器人设计及控制方面的研究。

*通讯作者：李 军(1986—)，男，讲师，硕士，主要从事机器人技术及增材制造方面的研究。