【平衡車(che)的(de)原理(li)】自平衡單(dan)輪電動(dong)平衡車(che)原理(li) 電動(dong)平衡車(che)不倒的(de)原理(li)

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電動平衡車要來了！獨輪平衡車原理分析

對于國內大眾來說，初次開始了解電動平衡車還要追溯到2008年奧運會。當時，場館里的警衛(wei)人員都會騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當時(shi)平衡車(che)這(zhe)個新寵兒被(bei)附上“軍用”與“進(jin)口(kou)”雙重(zhong)光(guang)環，讓許多人對(dui)這(zhe)個新事物望而(er)止步，以至(zhi)于平衡車(che)這(zhe)類(lei)產品(pin)總是蒙上了(le)一層(ceng)神秘感。今天，小編(bian)就和大(da)家一起來探尋平衡車(che)背后(hou)的科(ke)學(xue)原理，平衡車(che)愛(ai)好者們(men)你們(men)準備(bei)好了(le)么？

電動獨輪車不倒的原理：

一方面是由于人能夠調整重心，調整車前行的方向，車前行的方向發生轉變由于慣性就能平衡重力的側翻力矩。還有重要的一點是高速旋轉的輪子具有較大的角動量，角動量能夠抵抗外力矩，就好比陀螺不倒一樣。在大學物理里，這種現象叫進動，自傳體能把外力矩的方向旋轉90度。在這里就是輪子把(ba)側翻力矩(ju)變成(cheng)使自行車轉向的力矩(ju)。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自(zi)平衡電動獨輪車加(jia)以改(gai)進，靠電機驅(qu)動的(de)，采用陀螺儀(yi)與驅(qu)動電路控制保持不倒。把身體向前傾斜就可以啟(qi)動。速(su)度則是由身體的(de)傾斜程度來控制的(de)，想要加(jia)速(su)則向前傾，減速(su)則向后傾。

拋開(kai)人的主(zhu)動操控，獨輪平衡車(che)保證正(zheng)常(chang)工(gong)作一(yi)定離不開(kai)加速(su)度(du)傳感器(qi)和(he)角速(su)度(du)傳感器(qi)（陀螺(luo)儀(yi)）。

加速度傳感器：

加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度。只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車傾角。比如使用X軸向(xiang)上的加(jia)速(su)度信號，車直立時(shi)，固定加(jia)速(su)度器在(zai)X軸水平方向，此時輸出信(xin)號為(wei)零(ling)偏(pian)電壓(ya)信(xin)號。當車發生(sheng)傾(qing)斜時，重力(li)加速度g便會在X軸方向形成加速度分量，從而引起該(gai)軸輸出信(xin)號(hao)的變(bian)化。

但在實際(ji)車(che)運行過程中，由于平衡車(che)本身的運動所產(chan)生的加(jia)速(su)度(du)會產(chan)生很大的干擾信號疊加(jia)在上(shang)述測量(liang)信號上(shang)，使(shi)得輸(shu)出信號無法準(zhun)確反映真(zhen)正(zheng)的傾角(jiao)。因此(ci)對于直(zhi)立控制所需要的姿態信息不能完(wan)全(quan)由加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感器來獲得。

角速度傳感器：

陀螺儀可(ke)以(yi)用來測量物體(ti)的旋轉(zhuan)角速(su)度(du)。平衡車上(shang)安裝陀螺儀，可(ke)以(yi)測量車傾斜的角速(su)度(du)，將角速(su)度(du)信號進行積分處理便(bian)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)車的傾角。

談到平衡(heng)我(wo)們就不得不說到陀螺儀(yi)，陀螺儀(yi)的(de)原理(li)就是，一(yi)個(ge)旋(xuan)(xuan)轉物體的(de)旋(xuan)(xuan)轉軸所指的(de)方向(xiang)在不受外(wai)力(li)影響時，是不會改變的(de)。人們根據(ju)這個(ge)道理(li)，用它(ta)來(lai)(lai)保持方向(xiang)，制造出來(lai)(lai)的(de)東西就叫陀螺儀(yi)。我(wo)們騎(qi)自行(xing)車其實(shi)也是利用了這個(ge)原理(li)。

輪子(zi)轉(zhuan)得越快越不容易倒，因為車軸有一(yi)股保持水平(ping)的力量。陀螺儀在工(gong)作(zuo)時要給(gei)它一(yi)個力，使(shi)它快速旋轉(zhuan)起來，一(yi)般能達到每分鐘幾十(shi)萬轉(zhuan)，可以工(gong)作(zuo)很長(chang)時間。然后用多(duo)種方(fang)法讀取(qu)軸所(suo)指(zhi)示(shi)的方(fang)向(xiang)，并自(zi)動將數據(ju)信號傳給(gei)控制系統。

加速(su)度和角速(su)度兩個傳感器都無法單獨獲得動態(tai)情況(kuang)下(xia)(xia)的準確(que)，穩定的姿(zi)態(tai)，但是這(zhe)兩種(zhong)傳感器具有(you)互補性，即加速(su)度傳感器，在(zai)靜(jing)態(tai)情況(kuang)下(xia)(xia)使用(yong)效(xiao)(xiao)果(guo)(guo)會好一(yi)些(xie)，陀螺儀在(zai)動態(tai)情況(kuang)下(xia)(xia)使用(yong)，效(xiao)(xiao)果(guo)(guo)會好一(yi)些(xie)。此時，就需要一(yi)種(zhong)算法，來將這(zhe)兩種(zhong)信(xin)號進行有(you)效(xiao)(xiao)融合(he)，才能(neng)獲取(qu)準確(que)的姿(zi)態(tai)信(xin)息。

所以電動獨輪平衡車主要通(tong)過控(kong)制(zhi)器(qi)（智能芯片）、姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)（陀螺儀）、執行器(qi)（電機(ji)）三部分來實現平(ping)衡。當駕駛者(zhe)傾(qing)斜身體時(shi)，姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)輸(shu)出相應(ying)姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)信(xin)息，控(kong)制(zhi)器(qi)感(gan)知(zhi)到這個(ge)信(xin)息后，命令電機(ji)向相應(ying)方向旋轉，姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)按一(yi)定(ding)頻率不停(ting)(ting)地(di)測量車子姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)，并輸(shu)出姿(zi)態(tai)(tai)(tai)(tai)息到控(kong)制(zhi)器(qi)，控(kong)制(zhi)器(qi)不停(ting)(ting)地(di)調整電機(ji)的轉動方向和轉速(su)，這樣就保持(chi)了一(yi)個(ge)動態(tai)(tai)(tai)(tai)的平(ping)衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨輪(lun)(lun)(lun)平衡(heng)車(che)(che)相比(bi)，雙輪(lun)(lun)(lun)最大的(de)(de)區(qu)別便是(shi)多了一(yi)(yi)(yi)個輪(lun)(lun)(lun)子(zi)和操(cao)縱桿，但它(ta)與(yu)電(dian)動自(zi)行車(che)(che)和摩托(tuo)車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)(lun)(lun)前后(hou)排(pai)列方(fang)式(shi)不同，而是(shi)采(cai)用兩(liang)(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)并排(pai)固定(ding)的(de)(de)方(fang)式(shi)，就(jiu)像一(yi)(yi)(yi)種兩(liang)(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)平行的(de)(de)機器(qi)人(ren)一(yi)(yi)(yi)樣(yang)。兩(liang)(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)平衡(heng)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統是(shi)一(yi)(yi)(yi)種兩(liang)(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)左右(you)平行布置的(de)(de)，像傳統的(de)(de)倒立擺一(yi)(yi)(yi)樣(yang)，本(ben)身是(shi)一(yi)(yi)(yi)個自(zi)然不穩(wen)(wen)定(ding)體，必須施(shi)加強有(you)力的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)手(shou)段才能使之穩(wen)(wen)定(ding)。因為兩(liang)(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)平衡(heng)車(che)(che)具有(you)運動靈活、智能控(kong)(kong)(kong)制(zhi)、操(cao)作(zuo)簡(jian)單、節省能源、綠色環保、轉彎半徑為零等優點，所以(yi)它(ta)適(shi)用于在狹小空間內(nei)運行。

雙輪(lun)平衡(heng)車的工(gong)作原理，非常類似(si)于(yu)我們(men)(men)人體(ti)自身的平衡(heng)系(xi)統。就(jiu)我們(men)(men)的人體(ti)而言(yan)，當身體(ti)重心前傾時，為了保證平衡(heng)，我們(men)(men)需要(yao)往(wang)前走；而當重心后傾時，我們(men)(men)需要(yao)往(wang)后走，其中也是同(tong)樣的道理。

當(dang)我(wo)(wo)們在駕駛平(ping)衡車(che)(che)的(de)(de)時(shi)候，平(ping)衡車(che)(che)的(de)(de)兩個(ge)輪子(zi)(zi)(zi)就代(dai)替了雙腳。與(yu)身體的(de)(de)平(ping)衡系統非常類似(si)，當(dang)我(wo)(wo)們的(de)(de)重心(xin)前(qian)傾時(shi)，智能系統就會自動(dong)感應到(dao)，并精確地(di)驅(qu)動(dong)輪子(zi)(zi)(zi)向前(qian)運(yun)動(dong)，以保持(chi)平(ping)衡；同樣地(di)，當(dang)我(wo)(wo)們身體的(de)(de)重心(xin)后傾時(shi)，輪子(zi)(zi)(zi)就會向后運(yun)動(dong)。

這(zhe)套工作原理被(bei)(bei)稱為“動態(tai)(tai)平(ping)(ping)衡”原理，這(zhe)也是(shi)平(ping)(ping)衡車被(bei)(bei)叫做(zuo)“平(ping)(ping)衡車”的原因(yin)(yin)；有(you)時也被(bei)(bei)叫做(zuo)“體感(gan)車”，這(zhe)是(shi)因(yin)(yin)為它能感(gan)應身體重(zhong)心(xin)的變(bian)化(hua)，因(yin)(yin)駕(jia)駛者姿態(tai)(tai)的變(bian)化(hua)而(er)改變(bian)行(xing)駛狀(zhuang)態(tai)(tai)；有(you)時也被(bei)(bei)叫做(zuo)“思維車”，這(zhe)是(shi)因(yin)(yin)為它能夠智能感(gan)應重(zhong)心(xin)變(bian)化(hua)、智能調整姿態(tai)(tai)和運行(xing)狀(zhuang)態(tai)(tai)。

平(ping)衡(heng)車(che)利用“動(dong)態平(ping)衡(heng)”原理(li)，采(cai)用第二代運動(dong)補(bu)償算法，利用其(qi)內部的陀螺儀(yi)和加速度傳(chuan)感器(qi)，來精確檢測車(che)體姿態的微小變化，并(bing)利用精密(mi)的伺服控(kong)制(zhi)系統(tong)，靈敏(min)地驅動(dong)電機，進行(xing)相應的調整，以(yi)保持整個(ge)車(che)體的穩定和平(ping)衡(heng)。

當我(wo)們旋轉方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿(gan)(gan)時(shi)，運行(xing)系統(tong)(tong)會相應地控(kong)制左右兩邊的(de)速(su)度差，以此來實現車(che)體(ti)的(de)轉向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。因此在(zai)騎行(xing)過程(cheng)中，將(jiang)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿(gan)(gan)指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)您需要(yao)前進的(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，車(che)體(ti)將(jiang)會朝著我(wo)們指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿(gan)(gan)處于車(che)體(ti)正中間位置時(shi)，系統(tong)(tong)將(jiang)朝正前方行(xing)駛。并(bing)且在(zai)轉向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，如果(guo)身(shen)體(ti)跟隨(sui)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿(gan)(gan)傾斜(xie)的(de)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)傾斜(xie)，那么我(wo)們將(jiang)會獲得(de)更好(hao)的(de)轉向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)驗。

平衡車不僅擁有時尚動感的炫酷外觀，在其內部有一個極致精密的智能運行系統，用“秀于外，慧于中”來形容最貼切不過了。但也是這樣一款產品卻一直穿梭在監管的灰色地帶，部分地區交管部門已經限制平衡車上路，未來電動平衡車將駛向何方，還很不明朗，而小米的加入能否將平衡車行業帶入正軌，一切也還是未知數。