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第二章 总体设计 2.1 设计目标
两轮自平衡小车的设计主要分为两个大部分。一是机械结构系统，二是控制系统。机械部分包括:车身、车轮、车身上支架、悬架、轴承、连杆等机械结构，主要功能是承载硬件电路，搭建工作平台。控制系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括直流电机、驱动器、传感器、单片机、电源、电源转换电路、处理器以及外围扩展电路等。软件系统为控制程序和控制电路。 2.2 总体结构设计
两轮自平衡小车整车机械结构包括车身、动力装置、控制装置和转向装置四大部分。
图5小车结构
图6 车身部分结构
1车把 2伸缩调节杆 3伸缩调节器 4储物篮 5电位器 6脚踏板
7挡泥板 8车轮 9车身骨架 10电机 11螺栓 12车架-悬架连接器
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13弹簧悬架 2.3 自平衡车的工作原理
两轮自平衡电动车的平衡原理来自于倒立摆模型，由于两轮自平衡电动车的双轮平行布置在车体的左右两端，且载人时重心在双轮轴心正上方，所以它相当于一个倒立摆，是不稳定体，车体总是要向前或向后倾倒。当检测到车体向前倾斜时，内置的精密电子陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密 且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，通过让电机加速旋转来产生一个向前的加速度，这个加速度使得在双轮轴心上方的重心向后摆动，这就抵消了车体的向前倾斜，使车体的重心回到两轮中心轴的正上方，从而在竖直方向保持平衡。这一平衡是动态的，为保持车体竖直不倒，必须不断检测车体倾斜姿态，根据倾斜状况驱动电机前进或后退，来克服重心偏移现象，保持车体平衡。
假设我们以站在车上的驾驶人与车辆的总体重心纵轴作为参考线。当这条轴往前倾斜时，平衡车车身内的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩；一方面产生让车辆前进的加速度。相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。这就是自平衡车系统所达到的的“动态平衡”。而方向控制上驾驶人只要改变自己身体的角度往前或往后倾，平衡车就会根据倾斜的方向前进或后退。而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比。原则上，只要平衡车有正确打开电源且能保持足够运作的电力，车上的人就不用担心有倾倒跌落的可能，这与一般需要靠驾驶人自己进行平衡的滑板车等交通工具大大不同。
两轮自平衡车平衡条件
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图7 两轮自平衡系统受力分析
上图为自平衡车在坡度为?的路面上行驶的动力学分析模型。假设某时刻车身相对
于竖直方向有一倾角?, 且在车轮上施加一顺时针方向的力矩M?M0, 使车轮沿坡面向上加速滚动, 由于惯性, 车身将有可能不绕车轴A发生转动, 而只发生平动。此时, 路面对车轮的静摩擦力f0为临界驱动力。 忽略空气阻力和车轮滚动阻力, 可以得到M0和f0具有以下关系：
sin?M0? [f0?m2g]R 2cos(???) (1)
式中：M0为临界驱动力矩;f0为临界驱动力; m2为车轮质量; R为车轮半径。
对于?=0时的临界驱动力f0, 其表达式：
f0?(m1?m2)gtan? （2） 式中: m1为车身(包括驾驶员)质量。当??0时f0具有更一般的形式：
f0? (m1?m2)g sin??sin?cos(???) （3）
显然式(2)是式(3)在?= 0时的特殊情况,即(3)对=0的情况也适合。
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将式(3)代入(1), 得：
M0?m1gR[sing??sin?3sin?]? m2gR[sin??]cos(???)2cos(???) (4)
若使M>M0, 车身将绕轮轴A逆时针转动,最终回到竖直位置。 第三章 机械结构系统 3.1 车身
图8 车身结构
车身机构的设计中车架由方管（型号Q235，50-50(1.0-5.0)）焊接而成, 车架承受车身(含驾驶者)重力和悬架弹簧的支反力。和悬架一样, 可以认为4个支承点是固定的，车架只承受来自车身的压力。主要基于该车身结构能有一定的承载能力，保证机构的稳定性。材料选择质轻，结构强度大的，以便节省材料。 3.1.1 悬架
悬架采用钢板(汽车用钢板（GB3273-89）, 厚度2.5mm)和槽钢(5#,高度?腿宽?腰高=50?32?4.4)焊接而成。由于车身对悬架的压力是一个激振载荷(该激振频率受悬架弹簧参数决定), 因此悬架的自振频率必须和该激振频率错开, 以免发生共振。忽略对悬架力学性能影响不大的弹簧导向柱和一些圆角。
悬架是平衡车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称【】，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证车能平顺地行驶。悬架是平衡车中的一个重要组成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到平衡车的多种使用性能。 典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。
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图9 汽车悬架图
考虑到自平衡电动车的体积，悬架设计时体积不宜过大，要做到简单轻便。
图10两种不同的悬架设计图
悬架弹簧是悬架装置中最重要的部件，其刚度不能过大也不能过小。刚度 过大则悬架柔度不够，起不到缓冲作用;如果刚度过小，则振幅会明显变大， 造成行车过程中的剧烈颠簸。故有必要对其进行详细设计。这里根据实际情况， 要求悬架弹簧外径满足即可，
根据工作载荷范围( 300N—1300N)，工作行程(定为15mm)，弹簧外径( D?45mm)可以得出每个悬架弹簧的主要参数，设计结果如表2所示。 表 1 悬架弹簧主要参数 材料 Ф4C级碳素
中径/mm 40 有效圈数 2. 5 节距/mm 14. 5 极限载荷/N 刚度/(N*mm- 1) 417 15. 8 13