罗朝云 吴小平 熊益

【摘要】本文研制了一种结合两轮式移动机器人和倒立摆系统的智能机电一体化机构。通过飞思卡尔16位单片机进行控制。在制作完成机械结构之后，进行了红外遥控的设计、对小车的传感器参数进行了整定。由于其具有良好的可移动性和环境适应性，在现实生活中具有很高的实用价值。比如作为个人交通工具，智能载运等。

【关键词】倒立摆；Pro/E建模；有限元分析；红外遥控倒立摆系统

1.概述

智能汽车是集环境监测、路径规划、多等级的辅助驾驶模块等功能于一体的系统。它运用了计算机数据处理、传感器、通信等技术。是一个具有很高科技技术含量的系统。目前对智能汽车的研究主要体现在对汽车驾驶的安全性、舒适性等方面的提高。

2.两轮车系统理论研究

通过对倒立摆系统进行研究，可以考察一个控制系统在解决非线性、不稳定系统方面的控制能力。

2.1 直线一级倒立摆的数学模型

倒立摆系统是一个不稳定的系统，在进行建模时，有一定困难。忽略到一些不太重要的细节之后，倒立摆系统其实就是一个刚性运动系统，可以在倒立摆的惯性力坐标系中使用经典力学分析进行建模。下面采用经典的牛顿力学分析来进行直线一级倒立摆的数学模型建立。

2.2 两轮小车倒立摆模型简化

重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。直立的小车可以近似看做可做水平移动的倒立摆系统。

3.结构方案设计

在方案设计过程中，首先对小车轮子的安装方向进行了选择，以确保能够与之前确定的一级平面倒立摆数学模型进行吻合。然后结合实际生产中的两轮自平衡小车产品，对整车机械零件和各种模块安装位置进行了方案设计和结构简化。

3.1 两轮位置关系的选择

采用左右轮布置方式，采用双直流电机驱动小车的两个轮胎。虽然是双直流电机，属于一级倒立摆系统。因为从侧面观看小车前进方向，两个电机重合，对应着上一章倒立摆模型中的“单电机平面一级倒立摆”

3.2 小车机械结构简化

经过机械结构简化，最终小车的主要组成部分包括：轮胎、直流电机、联轴器、测速装置、车身倾覆姿态检测传感器、电池、控制电路等。这些结构之间，通过板材制作的小车骨架进行连接。

3.3 前期目标参数与结构框图

4.小车三维建模

5.力学分析

5.1 联轴器的力学分析

由分析结果可见，DR-S尼龙联轴器在车身竖直方向上的最大位移4.866×10-1mm，且在局部的应力已经达到37.3 Mpa，远超过了尼龙材料的许用应力3Mpa。黄铜六角联轴器在车身竖直方向上的最大位移为4.706×10-4mm，最大应力8.486Mpa，远小于许用应力295 Mpa。因此可以确定，在为了减少车体震动并保证连接强度的情况下，采用黄铜六角联轴器是正确的。

5.2 小车底板力学分析

7.结论

對小车的物理模型“倒立摆系统”进行了牛顿力学建模。对其进行模型简化之后，得到了便于C语言编程的控制方程，利用Pro/E进行小车三维建模和动画仿真，对各个机械零件的安装位置进行了布置，并对关键承重部件联轴器和小车底板进行了有限元分析，并进行传感器参数调试，确保各个零件能够正常工作。

参考文献

[1]教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会.关于举办第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的通知.2011.

[2]熊和金.智能汽车系统研究的若干问题[J].交通运输工程学报，2001，1（2）：37-40.

[3]钟建林.Pro/Engineer典型机械设计[M].机械工业出版社，2002.