附錄A
Tray selection and with the shelves, forklift match?
First, the selected tray Size:?
When used plastic pallets, according to the requirements of the project, the selected size will be different.?
1. First, consider the specifications and packaging of goods placed in the plastic tray method.?For example: the European standard turnover box size is 600 * 400mm, 1200 * 1000mm pallet in place a layer of 5 in 1200 * 800mm layer placed on the tray 4, the general stacking 5 layers.?
2. Consider the pallet loading tools (such as containers, trucks, etc.).?For example: If you are working round-trip or one-time use, you need to give priority to the width of 2300mm of integrated container shipping, for 1200 * 1000mm pallet, length 1200mm and width 1000mm to use a combination of place, must be selected to enter the fork 4.?The tray on the 1200 * 800mm, 800mm width direction with two side by side.?The pallet of 1100 * 1100mm width by 1100mm, placed 2, 2, or 4 to enter the fork into the fork can be.?
3. If used in the warehouse shelves, shelves to consider the size of width and depth, usually select the shelves each placed two trays of each cargo space, and allow access to the space of about 200mm.?In depth direction as far as possible to give large size, this does not produce plastic pallets carrying capacity of the stringent requirements in order to save procurement costs.?
4. If the use of automated warehouse shelves, in addition to meet the above requirements, but also take into account the slip coefficient of the tray, the tray bottom with transmission equipment and chain, into the fork height, carrying capacity on the shelves, permanent deformation,?length of surface deflection, the position of bar coding and RFID chips placed on other factors.?
5. Use plastic trays should also consider the size of generality, the size of the domestic common international standard for the 1210, 1208 European standard and T11 Japanese standard tray.?
Second, the choice of single and double-sided:?
1. Single use plastic pallets only one side, the surface grid of two peace-plate, the bottom of Sichuan fonts, font, or nine square field pad feet, according to carrying capacity and the use of different occasions into shelf series,?standard series and ultra-light series of three standards.?
2. Sided plastic tray that the same structure on both sides of the tray, the surface grid plate of peace are two sides to exchange used, based on carrying capacity and the use of different occasions, the shelves are divided into two series and standard series standards.?
3. Use double-sided tray or trays should be based on the appropriate storage, loading and unloading equipment and state (such as the library type, rack type, stacking or placing the state, etc.) to determine.?
4. For the small footprint of the ASRS or high shelves, or electric stacker forklift to move vertically oriented occasion, single-sided double-sided shelf series shelf series of trays and trays can be chosen.?
5. If the three-dimensional library or load up on the shelves of 1T, but there is no ceiling shelves, the proposed shelf tray with built-in pipe.?Steel structure steel tray built an effective solution to the product on the shelf load the greater the greater the weight, the old problem of high cost, more importantly, about the use of square steel tube wall thickness of 2mm rigid, reaching the shelves?(ASRS) are horizontal and vertical deflection ≤ 10mm stringent requirements, while reducing the permanent deformation and reduce costs.?
6. For the area, mainly the large and the level of the occasion, if the manual handling hydraulic pallet truck is suitable for use single-sided tray.?For stacking of goods to the bottom of the tray above and below the cargo coincide, the swastika with the end of double-sided tray or tray-type side is better.?If using self-moving motorized pallet trucks are suitable for articles not connected with the bottom of the nine feet single tray.?
Third, the load requirements?
1. Dynamic load refers to the use of electric forklift or a manual hydraulic pallet truck can lift the maximum weight allowed.?General shelf tray to load-bearing 1.5T-2T, the standard load-bearing pallet can 1T, lightweight tray dynamic load 0.5T.?
2. Static load refers to the stacking, the bottom of the plastic tray can bear maximum weight.?General shelf tray to load-bearing 6T-8T, the standard load-bearing pallet can 4T, lightweight tray static 1T.?
3. Shelf load refers to the plastic tray packaging on the shelves when the maximum allowable weight.?Must pay attention to dynamic load, static load, load library shelf load and establish the difference between carrying capacity and shelves of different structures, closely related to ambient temperature and storage period.?General heavy trays on a shelf in load-bearing beams 0.7T-1T, standard tray loading 0.4T-0.6T.?
4. Shelf load permanent deformation of the plastic tray and deflection have certain requirements, national standards for the maximum deflection 30mm, but this was partial width.?We recommend using the deflection on the shelf no more than 20mm of plastic pallets.?If the automatic warehouse, the requirements of the degree of deflection even more stringent, generally require less than 10mm.?Cheng Machinery silver mesh)
附錄B
電動平衡叉車是以直流電源（電瓶）為動力的裝卸及搬運(yùn)車輛。據(jù)國外資料統(tǒng)計，日本1992年電動叉車產(chǎn)量就已經(jīng)超過了叉車總量的1/3。在德國、意大利等一些西歐國家，電動叉車所占的比例達(dá)到50%左右。電動叉車的迅速發(fā)展主要得益于各生產(chǎn)廠家的不斷進(jìn)步。產(chǎn)品外形大多采用了流線型設(shè)計，造型更加美觀。主要生產(chǎn)廠家實現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)和零部件專業(yè)化生產(chǎn)和裝配流水線作業(yè)。加工精度、自動化程度都提高了。在新材料、新工藝方面，最重要的體現(xiàn)是晶體管控制器（SCR和MOS管）應(yīng)用。它的出現(xiàn)使電動叉車的使用性能得到很大的提高，從總體上說，電動叉車的耐用性、可靠性和適用性都得到顯著提高，完全可以與內(nèi)燃機(jī)叉車相抗衡。
?? 本文主要評述市場上銷量較大的四支點電動平衡叉車的結(jié)構(gòu)特點及發(fā)展。
車體是叉車的主體結(jié)構(gòu)，一般都是由5mm以上鋼板制成，其特點是無大梁，車體強(qiáng)度高，可承受重載。
?? 就電瓶在叉車車體上的放置位置而言，有兩種不同的制造技術(shù)。即電瓶安置于前后橋之間或后橋之上。
?? 這兩種技術(shù)代表了叉車設(shè)計的兩種最優(yōu)選擇，且各有優(yōu)缺點，穩(wěn)定性好，但是車體內(nèi)的可利用空間較小，因此限制了電瓶的容量，這對于載重量不超過3t的叉車并不突出，但對于那些運(yùn)動情況復(fù)雜，8h工作時間內(nèi)電瓶容量要求高的大噸位叉車就變得嚴(yán)重了。
?? 采用大容量電瓶，以延長電動叉車的持續(xù)工作時間，從而擴(kuò)大電動叉車的使用范圍，這是各叉車制造商共同追求的目標(biāo)。
?? 例如，STILL公司的R60/40系統(tǒng)叉車，由于采用了第一種技術(shù)，其最大的電瓶容量為80V，870A.h;69.6kW.h,而CARER公司的R40叉車由于采用第二種技術(shù)，電瓶容量達(dá)到960A.h;76.8kW.h（高出了10.35%）。在LINDE公司采用第一種技術(shù)的E40系列叉車上可安裝電瓶的最大容量為735A.h,58.8kW.h。同樣規(guī)格的CARER公司叉車，由于采用了第二種技術(shù)，可安裝電瓶的最大容量增加30.6%。
?? 第二種情況，當(dāng)電瓶布置在叉車后橋上時，叉車的重心提高了，整機(jī)穩(wěn)定性受到影響，由于叉車的高度增加，司機(jī)的座位提高，因而司機(jī)在操作時視野更開闊，特別是搬運(yùn)體積大的貨物時就更適用了。當(dāng)電瓶安置在后橋上，電機(jī)和液壓泵的維修更方便，因為拆走電瓶和腳踏板后，電機(jī)和液壓泵便一目了然。
?? 目前，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的電動叉車，大多采用的是第二種技術(shù)，而國外企業(yè)則兩種情況都有。
?? 2 門架
?? 目前，國內(nèi)外電動叉車大部分已經(jīng)采用寬視野門架，起升液壓缸由中間放置改為兩側(cè)放置。液壓缸的放置位置有兩種：一種是液壓缸位于門架后面，如撫順叉車廠和TOYOTA的電動叉車；另一種是液壓缸位于門架外測，如南京華瑞電動叉車和BALKANCAR叉車。CARER公司的R40/45系列電動叉車的液壓缸位于門架外側(cè)，R50/60/70系列叉車的液壓缸則位于門架后面。
?? 門架一般分為標(biāo)準(zhǔn)型、兩節(jié)型或三節(jié)型。國內(nèi)叉車的起升高度一般在2~5m之間，且以3m及3m以下的居多，而國外電動叉車的起升高度一般在2~6m之間，由于倉庫的立體化程度高，因此起升高度3m以上，電動叉車的需求量比國內(nèi)高得多。
?? 3 駕駛室
?? 由于多數(shù)電動叉車用于室內(nèi)搬運(yùn)，因此一般沒有封閉的駕駛室，只安裝起防護(hù)作用的護(hù)頂架。世界上比較先進(jìn)的電動叉車，如：LINDE的E20新型叉車駕駛室，按先進(jìn)的人機(jī)工程學(xué)原理開發(fā)研制，采用舒適的液壓減振懸掛式座椅，能夠根據(jù)駕駛員的身高和體重進(jìn)行調(diào)整。雙踏板加速系統(tǒng)在叉車改變行駛方向時無需轉(zhuǎn)向，方向盤立柱的傾角可根據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。中心液壓操縱桿集門架的升降和前后于一體。所以這些新設(shè)計都大大地減輕了駕駛員的勞動強(qiáng)度。
?? 4 驅(qū)動系統(tǒng)
?? 驅(qū)動系統(tǒng)是電動叉車的關(guān)鍵部件之一。各種叉車在驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上存在很大的差別，有單電機(jī)布置形式上也存在差別，如國內(nèi)撫順產(chǎn)的叉車，其電機(jī)軸與驅(qū)動橋為丁字型結(jié)構(gòu)，而國外TOYOTA和BALKANCAR叉車的驅(qū)動電機(jī)軸與驅(qū)動橋卻是布置的，結(jié)構(gòu)緊湊。LINDE的E20電動叉車和CARER的P50叉車的前輪驅(qū)動是由兩個獨立的電機(jī)來完成的，電機(jī)與驅(qū)動軸平行放置，結(jié)構(gòu)緊湊。由于是雙電機(jī)驅(qū)動，加速和爬坡性能好，牽引力大，采用了電子整速系統(tǒng)，替代原來的機(jī)械差速系統(tǒng)，使用性得到了很大的提高。
?? 5 液壓系統(tǒng)
?? 電動叉車一般都采用單獨的電機(jī)，帶動齒輪泵，從而為其門架工作系統(tǒng)的提升和傾斜提供液壓動力。目前國產(chǎn)叉車，由于沒有實現(xiàn)液壓電機(jī)的調(diào)速，液壓電機(jī)在啟動后，只能高速轉(zhuǎn)動，不會隨著功能和壓力的改變而自動調(diào)節(jié)，多余的流量只能通過溢流閥流回油箱，造成能量浪費。國外新型叉車，如LINDE的E20電動叉車，采用了先進(jìn)的液壓脈沖控制技術(shù)，液壓泵脈沖控制器能夠根據(jù)液壓回路的反應(yīng)，自動平衡電機(jī)速度與用油量，從而節(jié)約電能，這種控制的優(yōu)點是電源利用率高，無電壓峰值，液壓系統(tǒng)的噪聲低，液壓元件的磨損也低，從而大大地提高了整車的可靠性和使用壽命。
?? 6 制動系統(tǒng)
?? 一般的電動叉車主要采用機(jī)械式停車制動和液壓式行車制動。停車采用手制動，行車采用腳制動。
?? NISSAN公司BX系列電動叉車制動系統(tǒng)裝有一個主導(dǎo)真空增壓器，可保證任何時候都有足夠的主動壓力，既增加了制動的安全性，又減輕了駕駛員的勞動強(qiáng)度。
?? CARER電動叉車采用液壓制動系統(tǒng)。膨脹型制動有外部控制，并采用動力輔助制動（與動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力形式相同）。
?? SCR 和MOS管的使用，使電瓶叉車的制動能量再生成為可能。能量再生過程也就是一個電子制動過程，電子制動在以下三種情況下產(chǎn)生：
?? （1）松開加速器控制踏板時。
?? （2）踏下反向的加速器踏板時。
?? （3）踏下液壓制動踏板的第一級時。
?? 對于LINDE的E20和CARER的P50電動叉車，當(dāng)初次或者輕輕踏下制動器時，牽引電機(jī)將變成一臺發(fā)電機(jī)，將電能補(bǔ)送回電瓶，而不象一般叉車制動時將能量白白地浪費掉。只有在進(jìn)一步制動時，液壓制動才真正起作用。這種制動系統(tǒng)的優(yōu)點是延長了每次充電后的工作時間，減少了制動系及傳動元件的磨損，也減少了維修的停工時間，因而降低了使用成本。
?? 7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
?? 平衡叉車都采用后輪轉(zhuǎn)向，且工作范圍小，轉(zhuǎn)向運(yùn)動頻繁。如果采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，則駕駛員的工作強(qiáng)度會很高。如果采用液壓動力轉(zhuǎn)向，則勞動強(qiáng)度會大大降低。因此，現(xiàn)在市場上銷售的叉車基本上實現(xiàn)了動力轉(zhuǎn)向。國內(nèi)電瓶叉車的液壓轉(zhuǎn)向一般是轉(zhuǎn)向電機(jī)在叉車工作過程中不停地滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，因此造成了不必要的能量浪費，以及電機(jī)和液壓減的磨損。但是，LINDE 和NISSAN等公司的電瓶叉車，其動力轉(zhuǎn)向則更進(jìn)了一步，即通過方向盤不動時，則轉(zhuǎn)向電機(jī)不工作。此功能不但節(jié)約能量，還延長了再次充電后的可工作時間，縮短了轉(zhuǎn)向電機(jī)的空轉(zhuǎn)時間，因此也減少了電機(jī)和液壓泵的磨損。
?? 日本小松公司的電瓶叉車采用EPS速度傳感器動力轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)是“負(fù)荷感應(yīng)型”轉(zhuǎn)向，帶有一個伺服制動和動力液壓轉(zhuǎn)向型優(yōu)先配給閥。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用提升電機(jī)的動力，能自動選擇轉(zhuǎn)向所需的最佳力。
?? 8 電控及其自我診斷和液晶顯示系統(tǒng)
?? 電氣控制是顯示電動叉車技術(shù)水平的一個重要因素。因此，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電瓶叉車的電控也日趨完善。電動機(jī)控制器的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段：
?? （1）電池直接啟動，僅靠復(fù)雜的調(diào)整或電池的放電控制。
?? （2）電阻器啟動?？刂颇芰繐p失大，只可有限地分解速度。
?? （3）晶閘管控制器（也叫可控硅控制器）控制。
?? 晶體管控制使可靠性大大提高。
?? （4）雙極晶體管控制。與晶閘管相比，使用更加簡單，但是電路的可靠性要求比較高。
?? （5）MOS場效應(yīng)管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管）控制。門極驅(qū)動電流小，并聯(lián)控制特性好，正向電壓降較小，開關(guān)損失降低，MOS場效應(yīng)管比雙極晶體管的控制特性更好。由于減少了元器件，并采用全封閉裝置，可靠性大大提高。通常SCR（可控硅）控制器的插座電壓為1~1.5V，而MOS場效應(yīng)管控制器的插座電壓0.25V。MOS管場效應(yīng)管的工作效率更高，允許的最高速度更大，操作噪聲更小，保護(hù)措施更強(qiáng)，所以的用戶電源都有防短路保護(hù)裝置，并且具有獨特的三項安全保護(hù)措施，即軟件自動保護(hù)措施，硬件自動保護(hù)和硬件自我診斷保護(hù)。
?? 晶體管斬波器在叉車上的成功應(yīng)用，除了實現(xiàn)無級調(diào)速和再生性制動外，還增加了自我故障診斷和液晶數(shù)字顯示功能。
?? 日本小松公司電動叉車裝有液晶顯示控制器，用各種符號作代表，具有可讀性。指示器對可能出現(xiàn)的錯誤向駕駛員發(fā)出警報，包括松開和鎖定停車制動器，安全空擋聯(lián)鎖裝置和電瓶的過量放電，顯示出各種數(shù)據(jù)包括電瓶放電量，電解液量，工作時間和行駛速度等，可以隨時向駕駛員報告可能出現(xiàn)的故障，大大方便了叉車的維護(hù)與保養(yǎng)。同時，可以向駕駛員提供行駛速度和叉車載重量等參數(shù)，也為駕駛員的科學(xué)操作提供了依據(jù)，從而延長叉車的使用壽命。
8
兩輪平衡車的設(shè)計
摘 要
兩輪自平衡車結(jié)合了兩輪同軸、獨立驅(qū)動、懸架結(jié)構(gòu)和倒立擺模型的自平衡原理，是一種在微處理器控制下始終保持平衡的集智能化與娛樂性于一體的新型代步工具。整車由底盤、動力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。
底盤采用下沉式的懸架結(jié)構(gòu)，降低車身和使用者的重心減小了平衡控制難度,利用阻尼器削弱沖擊力提高駕駛舒適性；控制部分由陀螺儀和加速度計作為傳感器模塊監(jiān)測車體狀態(tài)，可獲得精確穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。同時微處理器實時處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而由驅(qū)動模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動以維持車體平衡；轉(zhuǎn)向操縱桿高度可調(diào)節(jié)亦可折疊，以適應(yīng)不同高度人士使用又便于運(yùn)輸和存放；采用電池作為動力能源，當(dāng)車減速或下坡時可自動回送電能更加節(jié)能。
兩輪自平衡車的基本設(shè)計理念是娛樂、經(jīng)濟(jì)、安全、方便、節(jié)能環(huán)保。本車具有運(yùn)動靈活、智能控制、操作簡便等特點，同時它價格低廉、性價比高，娛樂性和適用性增強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀車輛的體積大、功耗多，不適于單人使用的缺點。兩輪自平衡車適用范圍更廣，市場需求大，具有很強(qiáng)的市場推廣價值和市場潛力。
關(guān)鍵詞：兩輪自平衡電動車，環(huán)保， 結(jié)構(gòu)設(shè)計，陀螺儀，控制電路。
第一章 緒論
在研究兩輪自平衡車技術(shù)中主要涵蓋了機(jī)械和電子兩大系統(tǒng)技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)中研究的是各個機(jī)構(gòu)的特點，機(jī)構(gòu)的分析以及所研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域所發(fā)揮的功能等。而電子系統(tǒng)中要完成的是對整個機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的精確地控制、調(diào)節(jié)及有關(guān)信息的反饋。目前而言，自平衡車的應(yīng)用范圍很小，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，但還有待于進(jìn)一步的發(fā)展優(yōu)化，以便應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。
圖1. 市場上的兩輪自平衡代步車
1.1課題研究的背景及意義
1.1.1兩輪自平衡車的研究背景
隨著社會的不斷發(fā)展，能源消耗，環(huán)境污染，交通擁擠，生活空間狹小的問題不斷出現(xiàn)，個人認(rèn)為解決這些迫在眉睫的問題，也需要我們貢獻(xiàn)自己的一點力量。目前市場上出現(xiàn)了兩輪自平衡代步車（圖1），因其技術(shù)含量較高，占地面積小，靈活性和路面通過性強(qiáng)，非常適用于大型商場、機(jī)場、展覽館、博物館、體育館、廣場等室內(nèi)外場所工作人員、購物者、觀眾的代步工具。本文將對相關(guān)方面的技術(shù)作進(jìn)一步的研究。
1.1.2 研究意義
兩輪自平衡車運(yùn)動靈活、智能控制、操作簡便，適于單人使用且適用范圍廣，增加了人們對外出活動的興趣，減少人們的運(yùn)動強(qiáng)度，解決人們時間不充足的問題。本產(chǎn)品結(jié)合了兩輪自平衡系統(tǒng)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能化的控制系統(tǒng)特點，其研制意義可歸納為：
①該車作為載人行駛的代步工具，可根據(jù)需要將該車改造為大型商場、機(jī)場、展覽館、博物館、體育館、廣場等室內(nèi)外場所工作人員、購物者、觀眾的代步工具，因而具有一定的使用價值和市場價值。
②自平衡系統(tǒng)自身的特點和倒立擺一樣，可以作為一類研究對象進(jìn)行各種控制算法的研究與驗證，用于檢驗新型控制技術(shù)的正確性，也可在教學(xué)中作為典型實例進(jìn)行講授。
③以本產(chǎn)品為基礎(chǔ)，改造成適合工業(yè)或民用的兩輪移動機(jī)器人。兩輪移動機(jī)器人擁有傳統(tǒng)輪式移動機(jī)器人的靈活性、機(jī)動性、適應(yīng)性等特點，是智能機(jī)器人領(lǐng)域中一個嶄新的研究方向。
④采用電能作為動力能源，節(jié)能環(huán)保，有助于緩解環(huán)境問題、能源問題。
⑤該平衡車操作簡單，智能控制，性價比高，適用范圍廣，有一定的市場潛力。
1.2 兩輪自平衡車在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究狀況
兩輪自平衡小車的相關(guān)研究始于1987年，兩輪自平衡系統(tǒng)首先是由日本學(xué)者
由日本東京電信大學(xué)自動化系的山藤一雄教授提出類似的設(shè)計思想。1986年，該國的Kazuo Yamafu ji教授突發(fā)奇想設(shè)計了一個兩輪同軸、重心高高在上的模型。在這個模型中，電機(jī)和控制芯片設(shè)計在上部，靠很多個陀螺儀來監(jiān)測模型的姿態(tài)。受當(dāng)時計算機(jī)和傳感器技術(shù)的限制，Kazuo Yamafu ji的兩輪自平衡模型只能沿著事先設(shè)置好的軌道行駛。而無法完成預(yù)期的目標(biāo)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，取得了一定的成果。
美國發(fā)明家Dean Kaman于1995年開始秘密研制，直到2001年12月才將這項高度機(jī)密的新發(fā)明公布出來，2003年3月正式在美國上市（圖2）。它的工作原理主要是建立在一種與人體的平衡能力相似的，被稱為“動態(tài)穩(wěn)定” 主要通過內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器以每秒100次的頻率來判斷車體姿態(tài)，測出駕駛者重心，透過精密 且高速的中央微處理器計算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過驅(qū)動馬達(dá)來做到動態(tài)平衡的效果。以每秒高頻次的頻率進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動保持平衡。假設(shè) 我們以站在車上的駕駛?cè)伺c車輛的總體重心縱軸作為參考線。當(dāng)這條軸線發(fā)生偏折時，系統(tǒng)會自動平衡。
圖2美國研制的平衡機(jī)構(gòu)
當(dāng)今時代不少國家都對兩輪自平衡系統(tǒng)的研究有了更深入的研究。2002年，美國的Dan Piponi設(shè)計的機(jī)器人只適用于平坦路線。同年，瑞士以Felix Grasser為首的一個研究小組制作設(shè)計了一個鋼結(jié)構(gòu)的可以遠(yuǎn)程控制的兩輪自平衡機(jī)器人，實驗結(jié)果令人滿意。美國科學(xué)家David P.Anderson研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人（圖3）。比如通過控制可實現(xiàn)其本身的零半徑回轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。
圖3 兩輪自平衡機(jī)器人
2005年，自行車系統(tǒng)的平衡控制理論取得突破。日本的村田制作所向公眾展示了其最新研究。隨后的幾年時間里兩輪自平衡車無論是其控制系統(tǒng)還是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇方面都取得了長足的發(fā)展。
1.2.2 國內(nèi)研究狀況
國內(nèi)對兩輪自平衡系統(tǒng)的研究起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)步。2003年臺灣國立中央大學(xué)也制作了一個兩輪自平衡模型，并通過模糊控制理論對其進(jìn)行了控制，可實現(xiàn)相關(guān)功能的應(yīng)用。2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個研究小組研制出一個兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)（圖4）。依靠的基本原理是陀螺儀來檢測車體的姿勢，通過電動機(jī)來驅(qū)動小車的運(yùn)行。
圖4 兩輪自平衡機(jī)器人的樣機(jī)
近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對兩輪自平衡小車研究的深入,國內(nèi)平衡車機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的不斷完善，我國在這領(lǐng)域的研究也取得不斷地發(fā)展。
設(shè)計兩輪平衡車主要克服的問題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇等方面突出其體積小，節(jié)能減排的理念。而平衡車平衡控制的實現(xiàn)，依靠控制系統(tǒng)中硬件部分控制電路設(shè)計，傳感器模塊中參與信號參數(shù)檢測的陀螺儀及加速度計及軟件部分的控制器。
1.3 本文主要完成的內(nèi)容結(jié)構(gòu)
以機(jī)械設(shè)計理論為基礎(chǔ)，參閱機(jī)械專業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)，提出兩輪自平衡電動小車的整車結(jié)構(gòu)方案，并對其中的某些關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計和分析。
全文共分為六章
第一章為緒論，闡述了兩輪自平衡小車的課題背景和研究意義，介紹了國內(nèi)
外平衡小車的發(fā)展現(xiàn)狀，并對本文的研究問題給予了說明。
第二章為總體的設(shè)計，包括設(shè)計目標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡車的工作原理。
第三章為機(jī)構(gòu)設(shè)計主要包括車身，車架結(jié)構(gòu)，懸架的結(jié)構(gòu)，配電箱設(shè)計，動力裝置，控制裝置，轉(zhuǎn)向裝置，以及對本章的小結(jié)。并借助機(jī)械設(shè)計軟件繪出具體模型。
第四章為控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)，傳感器，電動機(jī)驅(qū)動器，控制程序及控制電路等。
第五章為研究課題的結(jié)論。
第二章 總體設(shè)計
2.1 設(shè)計目標(biāo)
兩輪自平衡小車的設(shè)計主要分為兩個大部分。一是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)。機(jī)械部分包括:車身、車輪、車身上支架、懸架、軸承、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要功能是承載硬件電路，搭建工作平臺?？刂葡到y(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括直流電機(jī)、驅(qū)動器、傳感器、單片機(jī)、電源、電源轉(zhuǎn)換電路、處理器以及外圍擴(kuò)展電路等。軟件系統(tǒng)為控制程序和控制電路。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
兩輪自平衡小車整車機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車身、動力裝置、控制裝置和轉(zhuǎn)向裝置四大部分。
圖5小車結(jié)構(gòu)
圖6 車身部分結(jié)構(gòu)
1車把 2伸縮調(diào)節(jié)桿 3伸縮調(diào)節(jié)器 4儲物籃 5電位器 6腳踏板
7擋泥板 8車輪 9車身骨架 10電機(jī) 11螺栓 12車架-懸架連接器
13彈簧懸架
2.3 自平衡車的工作原理
兩輪自平衡電動車的平衡原理來自于倒立擺模型，由于兩輪自平衡電動車的雙輪平行布置在車體的左右兩端，且載人時重心在雙輪軸心正上方，所以它相當(dāng)于一個倒立擺，是不穩(wěn)定體，車體總是要向前或向后傾倒。當(dāng)檢測到車體向前傾斜時，內(nèi)置的精密電子陀螺儀來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密 且高速的中央微處理器計算出適當(dāng)?shù)闹噶詈?，通過讓電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生一個向前的加速度，這個加速度使得在雙輪軸心上方的重心向后擺動，這就抵消了車體的向前傾斜，使車體的重心回到兩輪中心軸的正上方，從而在豎直方向保持平衡。這一平衡是動態(tài)的，為保持車體豎直不倒，必須不斷檢測車體傾斜姿態(tài)，根據(jù)傾斜狀況驅(qū)動電機(jī)前進(jìn)或后退，來克服重心偏移現(xiàn)象，保持車體平衡。
假設(shè)我們以站在車上的駕駛?cè)伺c車輛的總體重心縱軸作為參考線。當(dāng)這條軸往前傾斜時，平衡車車身內(nèi)的內(nèi)置電動馬達(dá)會產(chǎn)生往前的力量，一方面平衡人與車往前傾倒的扭矩；一方面產(chǎn)生讓車輛前進(jìn)的加速度。相反的，當(dāng)陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹匦耐髢A時，也會產(chǎn)生向后的力量達(dá)到平衡效果。這就是自平衡車系統(tǒng)所達(dá)到的的“動態(tài)平衡”。而方向控制上駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾，平衡車就會根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)或后退。而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比。原則上，只要平衡車有正確打開電源且能保持足夠運(yùn)作的電力，車上的人就不用擔(dān)心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M(jìn)行平衡的滑板車等交通工具大大不同。
兩輪自平衡車平衡條件
圖7 兩輪自平衡系統(tǒng)受力分析
上圖為自平衡車在坡度為的路面上行駛的動力學(xué)分析模型。假設(shè)某時刻車身相對于豎直方向有一傾角, 且在車輪上施加一順時針方向的力矩, 使車輪沿坡面向上加速滾動, 由于慣性, 車身將有可能不繞車軸A發(fā)生轉(zhuǎn)動, 而只發(fā)生平動。此時, 路面對車輪的靜摩擦力為臨界驅(qū)動力。 忽略空氣阻力和車輪滾動阻力, 可以得到和具有以下關(guān)系：
(1)
式中：為臨界驅(qū)動力矩;為臨界驅(qū)動力; 為車輪質(zhì)量; R為車輪半徑。
對于=0時的臨界驅(qū)動力, 其表達(dá)式：
（2）
式中: m1為車身(包括駕駛員)質(zhì)量。當(dāng)時具有更一般的形式：
（3）
顯然式(2)是式(3)在= 0時的特殊情況,即(3)對=0的情況也適合。
將式(3)代入(1), 得：
(4)
若使>, 車身將繞輪軸A逆時針轉(zhuǎn)動,最終回到豎直位置。
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
3.1 車身
圖8 車身結(jié)構(gòu)
車身機(jī)構(gòu)的設(shè)計中車架由方管（型號Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 車架承受車身(含駕駛者)重力和懸架彈簧的支反力。和懸架一樣, 可以認(rèn)為4個支承點是固定的，車架只承受來自車身的壓力。主要基于該車身結(jié)構(gòu)能有一定的承載能力，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。材料選擇質(zhì)輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的，以便節(jié)省材料。
3.1.1 懸架
懸架采用鋼板(汽車用鋼板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽鋼(5#,高度腿寬腰高=50324.4)焊接而成。由于車身對懸架的壓力是一個激振載荷(該激振頻率受懸架彈簧參數(shù)決定), 因此懸架的自振頻率必須和該激振頻率錯開, 以免發(fā)生共振。忽略對懸架力學(xué)性能影響不大的彈簧導(dǎo)向柱和一些圓角。
懸架是平衡車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證車能平順地行駛。懸架是平衡車中的一個重要組成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，關(guān)系到平衡車的多種使用性能。
典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。
圖9 汽車懸架圖
考慮到自平衡電動車的體積，懸架設(shè)計時體積不宜過大，要做到簡單輕便。
圖10兩種不同的懸架設(shè)計圖
懸架彈簧是懸架裝置中最重要的部件，其剛度不能過大也不能過小。剛度
過大則懸架柔度不夠，起不到緩沖作用;如果剛度過小，則振幅會明顯變大，
造成行車過程中的劇烈顛簸。故有必要對其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。這里根據(jù)實際情況，
要求懸架彈簧外徑滿足即可，
根據(jù)工作載荷范圍( 300N—1300N)，工作行程(定為15mm)，彈簧外徑( D45mm)可以得出每個懸架彈簧的主要參數(shù)，設(shè)計結(jié)果如表2所示。
表 1 懸架彈簧主要參數(shù)
材料
中徑/mm
有效圈數(shù)
節(jié)距/mm
極限載荷/N
剛度/(N*mm- 1)
Ф4C級碳素
40
2. 5
14. 5
417
15. 8
也就是說，當(dāng)車身在垂直方向上有震動后,懸架彈簧對懸架的反力將以22.5Hz的頻率發(fā)生。
從以上的不同的懸架形式中，根據(jù)研究分析可設(shè)計為
圖11懸架機(jī)構(gòu)
3.1.2 車輪
車輪有兩個作用，首先它要承受車身載荷，因此強(qiáng)度要足夠;其次，車輪
內(nèi)部安裝有減速器等零部件，相當(dāng)于一個容器。對車輪提出以下要求:
①強(qiáng)度足夠;②質(zhì)量盡可能小;③結(jié)構(gòu)盡可能簡單，易于制造。
圖12 車輪結(jié)構(gòu)
圖13摩托車輪胎
由上表可知，輪惘尺寸為：
輪惘寬度x輪輛外徑=1.85inch x 18inch=47mm x 457mm
車輪的輪毅的外徑由決定，輪毅的外徑等于齒圈尺寸這個數(shù)字加上兩倍的安裝齒圈處的厚度。
車輪的輪毅的長度由輪軸長度決定。至于輪輻，它的形狀比較自由，只要
滿足強(qiáng)度和剛度要求就可以了。
3.1.3 惰輪
體積較大的惰輪采用玻璃纖維纖增強(qiáng)型PA66制造, PA66強(qiáng)度中等, 因具有良好的自潤滑性而廣泛用在潤滑條件不良或不便潤滑的中輕載傳動場合, 加入玻璃纖維后強(qiáng)度得到顯著提高。考慮到PA66在高溫時強(qiáng)度急劇下降, 故與之嚙合的齒圈和中心小齒輪均采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料制造。為保證強(qiáng)度, 在分析時
必須使用最惡劣的工作狀態(tài). 按照設(shè)計要求和初期設(shè)計結(jié)果, 將
代入式(4)解得：
惰輪驅(qū)動2只車輪, 而齒圈分度圓半徑為, 故每只惰輪與齒圈間的圓周作用力為：
3.1.4輪軸
輪軸是車輪的中心部件，它通過一些軸承、鍵等與車輪內(nèi)的其它零部件構(gòu)成連接。負(fù)載產(chǎn)生的重力對車輪的壓力比較大，輪軸承受很大的力，因此在尺寸上不能太小。一方面，輪軸不能做得過粗，否則將不可避免地增加中心小齒輪的分度圓直徑，這對提高傳動比是極為不利的(輪殼尺寸有限);另一方面，輪軸也不能做得細(xì)，因為太細(xì)一方面會使內(nèi)側(cè)軸承過小，另一方面會降低軸右端鍵的強(qiáng)度。我們在定子右側(cè)設(shè)計一凸臺。
圖14定子右端凸輪
為簡化問題, 按全部載荷作用于齒面上部來計算齒根的彎曲強(qiáng)度。限制惰輪中央的所有自由度, 將載荷換算為壓強(qiáng), 施加在節(jié)圓與齒頂圓之間的齒面上。從惰輪的受力分析經(jīng)驗結(jié)果可以得出, 惰輪輪齒會發(fā)生變形, 最大位移發(fā)生在為齒頂部位,惰輪最大等效應(yīng)力發(fā)生在齒根部位, 故惰輪保證該部位的彎曲強(qiáng)度符合要求即可。
3.1.5配電箱
配電箱是按電氣接線要求將開關(guān)設(shè)備、測量儀表、保護(hù)電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構(gòu)成低壓配電裝置。正常運(yùn)行時可借助手動或自動開關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐?。故障或不正常運(yùn)行時借助保護(hù)電器切斷電路或報警。借測量儀表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號。
（1）應(yīng)考慮到配電箱的材料，考慮其散熱問題。
（2）配電箱的體積應(yīng)盡可能的做大，可放置更多的蓄電池。
（3）配電箱離地面的位置不宜太低，防止摩擦，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3.2 動力裝置
本車采用無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)具有效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，操作性能好，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點。電機(jī)輸出動力后經(jīng)減速器降速來提高輸出扭矩同時降低了負(fù)載的慣量，更有利于維持車體的平衡。
簡單的講，一般的永磁式直流有刷電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在其氣隙中產(chǎn)生磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生反映磁場。由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)無電刷換向的目的，直流無刷電動機(jī)一般將其電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。它采用轉(zhuǎn)子位置傳感器代替電刷，依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路實現(xiàn)與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到換相的目的，從而使電機(jī)工作。
圖15 無刷直流電機(jī)
電源采用鉛酸蓄電池。雖然鉛酸蓄電池體積偏大，重量較重，但具有技術(shù)成熟、價格低廉、安全性高、較高的容量，較大的放電能力并可以免維護(hù)使用等突出優(yōu)點。兩輪自平衡電動車自身重量小且承載量不會超過1個人，速度限制在 15km/h以下也不用于遠(yuǎn)距離行駛,因此采用2節(jié)12V電動自行車鉛酸蓄電池串聯(lián)組成 24V供電電源.既滿足使用要求又價格低廉，購買和更換都很方便。
圖16鉛酸蓄電池
3.3 轉(zhuǎn)向控制裝置
圖17操縱桿主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部傳感器安裝位置
轉(zhuǎn)向操縱桿由兩個螺栓與車身連接，可以左右搖。采用旋轉(zhuǎn)變阻器作為轉(zhuǎn)角傳感器安裝在操作桿與車身的連接處，它直接輸出與操縱桿的轉(zhuǎn)角成正比的電壓值。行駛過程中運(yùn)算模塊根據(jù)此電壓值控制向左或向右轉(zhuǎn)彎及轉(zhuǎn)彎角度。同時駕駛者身體的傾斜也提供一部分向心力，減小轉(zhuǎn)向阻力使轉(zhuǎn)向更容易。同時操縱桿高度可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同高度時也可折疊以減小占用空間。
圖18平衡車結(jié)構(gòu)
3.4 兩輪平衡車的裝配
由上述分析過程可知，該平衡車包括：兩個車輪，兩個懸架，車身（包括配電箱）及操縱桿。
結(jié)構(gòu)連接部分為懸架和車輪之間靠4個螺釘連接且可以相互轉(zhuǎn)動；車身通過連接構(gòu)件被螺母壓緊在懸架彈簧上；操縱桿則是靠2只螺栓和車架固定。在操縱桿與車身連接的部分用防塵罩罩住，目的為了防止該結(jié)構(gòu)生銹。
圖19 兩輪平衡車裝配圖
3.5本章小結(jié)
本章的研究內(nèi)容主要包括了自平衡車系統(tǒng)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，有車身的設(shè)計，談到了懸架的設(shè)計優(yōu)點及其作用，還包括了車輪，配電箱的注意事項?？刂妻D(zhuǎn)向裝置的操縱桿的分析了解以及動力裝置電機(jī)電源的選擇。
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