平衡车原理和扑街解释试卷.doc

平衡车原理和扑街解释 摘要: 说到仆街的原因或者原理，必须从平衡车的原理说起。本文为 buaa_dingo原创 　　 　　一、自平衡基本原理 　　 　　所有前后方向具有自平衡功能的车辆，双轮或者独轮，都是基于倒立摆原理。自平衡车实际上是一个比较 ... ? 说到仆街的原因或者原理，必须从平衡车的原理说起。本文为 buaa_dingo原创 　　 　　一、自平衡基本原理 　　 　　所有前后方向具有自平衡功能的车辆，双轮或者独轮，都是基于倒立摆原理。自平衡车实际上是一个比较简单的单级倒立摆系统，只是由于有驾驶员的操纵，为这个简单的单级倒立摆系统引入了一些非线性因素，但是也并不复杂。 　　 　　简单文字描述如下： 　　 　 　1）最简单的自平衡车系统，包括控制器、姿态传感器和执行器（电机），以及必要的电源（电池）和结构零件（让小车组合在一起具备功能）。其中，控制器能 够测量姿态传感器输出的姿态信息，并比较精确地控制电机运转；姿态传感器可以每秒输出100-500次姿态数据（俯仰、滚转、方向）；执行器（电机）可以 提供整车运动的动力。 　　 　　2）当驾驶者向前倾斜身体时，会带动车子向前倾斜。此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜，并命令电机向前旋转。这样，驾驶者前倾的时候，车子也会往前走，从而“追上”打算往前倾倒的驾驶者，保持动态平衡。 　　 　　3）当驾驶者身体向后仰时，会带动车子向后倾斜。此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜，并命令电机向后旋转。这样，驾驶者后仰的时候，车子也会往后走，从而“追上”打算向后倾倒的驾驶者，保持动态平衡。 　　 　　4）控制器每秒钟执行100-500次2、3的过程，不停地测量车子姿态，不停地调整电机的转动方向和转速。这样就保持一个动态的平衡。不管驾驶者往前还是往后倾斜，车子都会自动“追上”驾驶者，保持平衡。 　　 　　参考文献： 　　 　　美国专利：Personal Mobility Vehicles and Methods，U.S.Patent No.6,302,230 B1，Oct.16，2001 　　 　　中国专利：C使用重心及质量移位控制系统的车辆和方法，2010 　　 　　主要影响自平衡性能的几个因素是： 　　 　　车子方面： 　　 　　1）电机的响应速度（专业名词:机械时间常数）2）电机的扭矩和功率（稍后详细分析） 　　 　　3）能源供应功率（电池的持续输出功率和最大输出功率） 　　 　　4）控制器的控制算法水平和反应时间 　　 　　5）轮胎抓地性能。 　　 　　驾驶者方面： 　　 　　1）驾驶习惯 　　 　　2）路况 　　 　　3）驾驶者对自己车子的了程度 　　 　　接下来逐一分析。 　　 　　========================================== 　　 　　先说电机。 　　 　　大部分自平衡车产品都是用的无刷直流电机。主要是因为有刷电机的使用寿命一般只有几百或者一两千小时，虽然技术简单、成本低，但这么低的寿命，显然不适合用在可靠性事关人身安全的产品上面。（别提思维翼那类的货啊。） 　　 　　百度百科-无刷直流电机 /view/1410721.htm 　　 　 　高档的双轮自平衡车，基本用的是高转速电机+齿轮减速器的组合；电机转速比较高，一般在2000-4000RPM，通过减速齿轮把速度成倍降低，同时也 成倍地提高输出扭矩。由于减速器的存在，这种形式的电机启动迅速、反应快，扭矩相对较大，因此大都用于高性能场合。但是要做好齿轮减速器不容易，成本也 高，减速器质量不好的话，噪音大、效率低，而且有时候会出现齿轮损坏卡死的情况。一旦齿轮卡死，仆街基本是必然的了。 　　 　 　低档双轮自平衡车或大部分独轮平衡车，都采用低速直驱电机，俗称直驱轮毂电机，由于省掉了齿轮箱，因此结构比较简单，可靠性高，但是由于直驱电机没有齿 轮箱，就需要电机直接输出很大的扭矩和较低的转速，就造成需要很多绕组极对数（可以自己百度一下），绕组多了、磁钢也就多了，绕组所用的硅钢片也就多了， 因此整个电机势必尺寸大、沉重。而且电机转子重了，其惯性必然增大，响应速度是无法和同样参数的高速电机+减速器的方案相比的。直观来说，就是轮毂电机的 反应较为迟钝。大家很容易理解，反应比较快的电机，相比反应比较迟钝的电机，更不容易让驾驶者仆街。Rockway的齿轮减速电机，是造成其性能强劲的主 要原因，也是造成其号称噪音接近拖拉机的主要原因。 　　 　　直流电机的特点是，电机的输出扭矩与他的绕组所通过的电流（相电流）成正比。因此，只要控制器的设计功率足够，理论上可以让一个小独轮车爆发出大卡车的扭矩来。 　　 　 　我们知道，只要扭矩足够，自平衡车就基本可以确保可以跟上驾驶者的急加速、急刹车