不倒式平衡電動車模型設計

黃威震 孔令強

摘?要：本文主要講述的是一款自平衡式的電動車模型，它包括陀螺儀模塊，調速控制模塊和顯示模塊，主要是基于陀螺儀的原理讓電動車在靜止時仍能夠保證穩定不倒，在一定程度上提高了電動車的安全。

關鍵詞：自平衡;陀螺儀;電動車

本文所述的陀螺儀電機是由獨輪電動車一個動量飛輪輪組模塊組成。本電動機為直流電刷，編碼器線數為13線，編碼器供電電壓為5V，電動機供電電壓為12V，電動機最大工作電流>5A。

一、不倒式平衡的原理

下陀螺儀的基本原理及其的作用：這種輔助裝置是利用當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向;同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。其專用穩專用電機動量飛輪輪組模塊*1、法蘭聯軸器*1、XH2.54 6P雙頭排線*1、XH2.54 6P單頭排線*1、XH2.54 6P彎接頭、XH2.54 6P直接頭，如圖1所示。

其定性隨以下的物理量而改變：（1）轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好;（2）轉子角速度愈大，穩定性愈好。

進動性的大小也有三個影響的因素：（1）外界作用力愈大，其進動角速度也愈大;（2）轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小;（3）轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。

二、不倒式平衡電動車的主要部件

（1）加速度傳感器。由于陀螺儀有嚴重的溫度漂移，對陀螺儀的積分并不能得到當前車身的準確的角度。也就無法控制車身的平衡，因此為了得到當前的車身角度，必須使用加速度計。我們使用的是MMA7361，MMA7361具有工作電壓第（2.2～36V），靈敏度高（800mv/g）的特點。MMA7361是三軸加速度計。其三個輸出信號與對應的軸的加速度成比例。電路如圖所示。

（2）液晶屏。液晶屏相對于數碼來說具有顯示內容直觀，可顯示圖像和漢字的優點。在車身添加液晶屏模塊可以使調試更加方便，因此本次車身上我們添加了液晶屏模塊。

（3）陀螺儀接口。陀螺儀在保持車身的平衡方面極其重要，為了方便更換，我們并未將陀螺儀直接畫在主板上。由于使用的是單片機本身的AD，所以陀螺儀的接口很簡單。電路如圖3所示。

動手安裝的部分就不給大家詳說了，其陀螺儀由于結構較大，安裝在電動車的中間部分，外圍應用蓋罩防護，以免陀螺儀上的飛輪高速旋轉時將人刮傷（該產品未能假裝護罩，僅為實驗模擬使用）電源部分安裝在陀螺儀后端，從而減少了電源線的距離，保證其連接的可靠性。

（4）電路板的安裝。為了使小車具有較好的穩定性及轉向性能，我們在搭建小車時盡量選擇降低重心，因此也將電路板安裝在了電機上方，從而實現降低重心，提高小車的穩定性。

三、不倒式電動車模型的介紹

其工作原理是：當啟動電源時，其中的平衡模塊感應裝置將會感應計算出電動車此時的狀態及傾斜角，從而把信息傳給ECU，ECU通過計算電動車的傾斜角從而調整動量飛輪輪組的轉速，隨著飛輪輪組的轉動，會出現一種轉動慣量，所以車子就會慢慢的平穩直立，隨著轉速的不斷增加，轉動慣量也在不斷地增加，車子即更加的平穩。為了能夠實現小車的平穩，所以在保證其能越過障礙的時候，應盡量降低重心，這就更能保證其穩定性。

小車參數：

重量：790g

體積280*85*155mm

小車續航時間：20分鐘

輪胎直徑：69mm

控制器：STM32F103C8T6

姿態傳感器：MPU6050

電池：航模3S 1100mah

充電器：航模B3充電器

顯示屏：0.96寸OLED

車架材質：鋁合金

功能：靜止平衡

四、總結與展望

目前市場上的電動車雖然種類繁多，但是能夠是本身糾正方向，靜態時保持穩定的電動車還未出現，這也是研究本產品的一個重要的原因之一，還有一個原因也是因為目前交通壓力較大，能夠設計出新型的代步工具也是這個時代的一種進步，研究本產品的目的也是為了在人們騎行中能夠保證車子的平衡性及更大的安全性和可靠性。

最終目標希望能達到在高速行駛時也能精準維持車身穩，雖然不知道何時才會正式投入應用，但光是這一段展示就夠讓人期待的了，相信在不久的將來人人都能安全無虞的體驗電動車的美好與自由。

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項目來源：2017年大學生創新創業訓練計劃項目《不倒式電動車設計》（DCY201706）