黃威震 孔令強(qiáng)

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

關(guān)鍵詞：自平衡;陀螺儀;電動(dòng)車

本文所述的陀螺儀電機(jī)是由獨(dú)輪電動(dòng)車一個(gè)動(dòng)量飛輪輪組模塊組成。本電動(dòng)機(jī)為直流電刷，編碼器線數(shù)為13線，編碼器供電電壓為5V，電動(dòng)機(jī)供電電壓為12V，電動(dòng)機(jī)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(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向;同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其專用穩(wěn)專用電機(jī)動(dòng)量飛輪輪組模塊*1、法蘭聯(lián)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，穩(wěn)定性愈好;（2）轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

進(jìn)動(dòng)性的大小也有三個(gè)影響的因素：（1）外界作用力愈大，其進(jìn)動(dòng)角速度也愈大;（2）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈小;（3）轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈小。

二、不倒式平衡電動(dòng)車的主要部件

（1）加速度傳感器。由于陀螺儀有嚴(yán)重的溫度漂移，對(duì)陀螺儀的積分并不能得到當(dāng)前車身的準(zhǔn)確的角度。也就無法控制車身的平衡，因此為了得到當(dāng)前的車身角度，必須使用加速度計(jì)。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(diǎn)。MMA7361是三軸加速度計(jì)。其三個(gè)輸出信號(hào)與對(duì)應(yīng)的軸的加速度成比例。電路如圖所示。

（2）液晶屏。液晶屏相對(duì)于數(shù)碼來說具有顯示內(nèi)容直觀，可顯示圖像和漢字的優(yōu)點(diǎn)。在車身添加液晶屏模塊可以使調(diào)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(jī)本身的AD，所以陀螺儀的接口很簡單。電路如圖3所示。

動(dòng)手安裝的部分就不給大家詳說了，其陀螺儀由于結(jié)構(gòu)較大，安裝在電動(dòng)車的中間部分，外圍應(yīng)用蓋罩防護(hù)，以免陀螺儀上的飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將人刮傷（該產(chǎn)品未能假裝護(hù)罩，僅為實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(wěn)定性及轉(zhuǎn)向性能，我們?cè)诖罱ㄐ≤嚂r(shí)盡量選擇降低重心，因此也將電路板安裝在了電機(jī)上方，從而實(shí)現(xiàn)降低重心，提高小車的穩(wěn)定性。

三、不倒式電動(dòng)車模型的介紹

其工作原理是：當(dāng)啟動(dòng)電源時(shí)，其中的平衡模塊感應(yīng)裝置將會(huì)感應(yīng)計(jì)算出電動(dòng)車此時(shí)的狀態(tài)及傾斜角，從而把信息傳給ECU，ECU通過計(jì)算電動(dòng)車的傾斜角從而調(diào)整動(dòng)量飛輪輪組的轉(zhuǎn)速，隨著飛輪輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以車子就會(huì)慢慢的平穩(wěn)直立，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也在不斷地增加，車子即更加的平穩(wěn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)小車的平穩(wěn)，所以在保證其能越過障礙的時(shí)候，應(yīng)盡量降低重心，這就更能保證其穩(wěn)定性。

小車參數(shù)：

重量：790g

體積280*85*155mm

小車?yán)m(xù)航時(shí)間：20分鐘

輪胎直徑：69mm

控制器：STM32F103C8T6

姿態(tài)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(zhì)：鋁合金

功能：靜止平衡

四、總結(jié)與展望

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)車雖然種類繁多，但是能夠是本身糾正方向，靜態(tài)時(shí)保持穩(wěn)定的電動(dòng)車還未出現(xiàn)，這也是研究本產(chǎn)品的一個(gè)重要的原因之一，還有一個(gè)原因也是因?yàn)槟壳敖煌▔毫^大，能夠設(shè)計(jì)出新型的代步工具也是這個(gè)時(shí)代的一種進(jìn)步，研究本產(chǎn)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(biāo)希望能達(dá)到在高速行駛時(shí)也能精準(zhǔn)維持車身穩(wěn)，雖然不知道何時(shí)才會(huì)正式投入應(yīng)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(yàn)電動(dòng)車的美好與自由。

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項(xiàng)目來源：2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《不倒式電動(dòng)車設(shè)計(jì)》（DCY201706）