【平(ping)(ping)衡(heng)車(che)的原理(li)】自平(ping)(ping)衡(heng)單輪電動平(ping)(ping)衡(heng)車(che)原理(li) 電動平(ping)(ping)衡(heng)車(che)不倒的原理(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(nian)奧運會(hui)。當時(shi)，場(chang)館里的(de)警衛人員都會(hui)騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但(dan)是當(dang)時平衡(heng)車這(zhe)(zhe)個新寵兒被附上“軍(jun)用”與“進口”雙重光環，讓許(xu)多人對這(zhe)(zhe)個新事物望而止步，以至(zhi)于平衡(heng)車這(zhe)(zhe)類產品總是蒙上了一(yi)層神秘(mi)感。今天，小(xiao)編就和大家一(yi)起來探尋平衡(heng)車背后的(de)科學原理(li)，平衡(heng)車愛好者們(men)你們(men)準備好了么(me)？

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(du)。在這里(li)就是輪子把側翻力(li)矩變成使自行車轉向(xiang)的力(li)矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自平衡電(dian)(dian)(dian)動(dong)獨輪車加以改進，靠電(dian)(dian)(dian)機驅(qu)動(dong)的(de)，采用(yong)陀螺儀與(yu)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)路控(kong)制保持不(bu)倒。把身(shen)體向(xiang)(xiang)前傾斜就可以啟(qi)動(dong)。速度則是(shi)由身(shen)體的(de)傾斜程度來控(kong)制的(de)，想要加速則向(xiang)(xiang)前傾，減速則向(xiang)(xiang)后傾。

拋(pao)開(kai)人(ren)的主動操控(kong)，獨輪(lun)平衡車(che)保證正常工作(zuo)一定(ding)離不開(kai)加速(su)度傳感器(qi)和(he)角速(su)度傳感器(qi)（陀螺儀）。

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(zhou)向(xiang)上(shang)的加速度信號，車直立(li)時，固(gu)定(ding)加速度器在X軸水平方向，此時(shi)輸出(chu)信號為零偏(pian)電壓(ya)信號。當車發生傾斜時(shi)，重力(li)加(jia)速度g便會在X軸(zhou)(zhou)方向形成(cheng)加速度分量，從而引(yin)起(qi)該軸(zhou)(zhou)輸出信(xin)號的變化。

但在(zai)實(shi)際車運(yun)行過程中，由于平衡(heng)車本身的(de)運(yun)動所產(chan)生的(de)加速度會(hui)產(chan)生很大的(de)干(gan)擾信(xin)號疊加在(zai)上述測量信(xin)號上，使得輸出(chu)信(xin)號無法準確反(fan)映真正的(de)傾角。因此對于直立控制所需(xu)要(yao)的(de)姿(zi)態信(xin)息不能(neng)完全由加速度傳感器來獲得。

角速度傳感器：

陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)可以(yi)(yi)用來(lai)測量物體的旋轉角速(su)度(du)。平衡車(che)上安裝陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)，可以(yi)(yi)測量車(che)傾(qing)斜的角速(su)度(du)，將(jiang)角速(su)度(du)信號進(jin)行積(ji)分處理便可以(yi)(yi)得到車(che)的傾(qing)角。

談(tan)到平衡我們(men)就不(bu)(bu)得不(bu)(bu)說到陀螺(luo)儀，陀螺(luo)儀的原理就是，一(yi)個(ge)旋轉(zhuan)(zhuan)物體(ti)的旋轉(zhuan)(zhuan)軸所指的方向(xiang)在不(bu)(bu)受外力影響時，是不(bu)(bu)會(hui)改變的。人們(men)根(gen)據這個(ge)道(dao)理，用(yong)它來(lai)保持方向(xiang)，制造出來(lai)的東西就叫陀螺(luo)儀。我們(men)騎(qi)自行(xing)車其實也(ye)是利用(yong)了這個(ge)原理。

輪子(zi)轉得(de)越(yue)快越(yue)不容易倒，因為(wei)車軸有(you)一(yi)股保持水平的力(li)量。陀螺儀在工(gong)作時要(yao)給它(ta)一(yi)個力(li)，使(shi)它(ta)快速(su)旋轉起來，一(yi)般能達到每分鐘(zhong)幾十萬(wan)轉，可以工(gong)作很長時間。然后用多種方(fang)法(fa)讀取(qu)軸所指示的方(fang)向，并自動將(jiang)數(shu)據信號傳給控制系統。

加(jia)速度(du)和角(jiao)速度(du)兩個傳(chuan)感器都(dou)無法單獨(du)獲(huo)得動(dong)態(tai)情況(kuang)下的(de)(de)準確，穩定的(de)(de)姿(zi)態(tai)，但是(shi)這(zhe)兩種傳(chuan)感器具有(you)互補性，即加(jia)速度(du)傳(chuan)感器，在(zai)靜(jing)態(tai)情況(kuang)下使(shi)用(yong)效(xiao)果會好(hao)一些(xie)，陀螺(luo)儀在(zai)動(dong)態(tai)情況(kuang)下使(shi)用(yong)，效(xiao)果會好(hao)一些(xie)。此時，就需要一種算法，來將這(zhe)兩種信號(hao)進行有(you)效(xiao)融合(he)，才能獲(huo)取準確的(de)(de)姿(zi)態(tai)信息。

所以電動獨輪平衡車主(zhu)要通過控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)（智能芯片）、姿態(tai)(tai)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)（陀螺儀）、執行器(qi)(qi)（電機）三部分來實現平衡。當(dang)駕駛者傾斜身體(ti)時，姿態(tai)(tai)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)輸出(chu)相(xiang)應姿態(tai)(tai)信(xin)息，控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)感(gan)(gan)知到這個信(xin)息后，命令電機向(xiang)相(xiang)應方向(xiang)旋轉(zhuan)，姿態(tai)(tai)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)按一(yi)(yi)定頻率不(bu)停地測量車(che)子姿態(tai)(tai)，并輸出(chu)姿態(tai)(tai)息到控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)(qi)不(bu)停地調整電機的(de)轉(zhuan)動方向(xiang)和轉(zhuan)速(su)，這樣就保持了一(yi)(yi)個動態(tai)(tai)的(de)平衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨(du)輪(lun)(lun)平(ping)衡(heng)車(che)相(xiang)比，雙輪(lun)(lun)最大的區別便(bian)是多了一(yi)(yi)個(ge)輪(lun)(lun)子和(he)操(cao)縱桿，但它與(yu)電動(dong)自(zi)行(xing)(xing)車(che)和(he)摩托車(che)車(che)輪(lun)(lun)前(qian)后排列方式不同，而是采用兩輪(lun)(lun)并排固定(ding)的方式，就像(xiang)一(yi)(yi)種(zhong)兩輪(lun)(lun)平(ping)行(xing)(xing)的機器(qi)人一(yi)(yi)樣。兩輪(lun)(lun)自(zi)平(ping)衡(heng)控(kong)制系統(tong)是一(yi)(yi)種(zhong)兩輪(lun)(lun)左右(you)平(ping)行(xing)(xing)布置的，像(xiang)傳(chuan)統(tong)的倒立擺一(yi)(yi)樣，本身是一(yi)(yi)個(ge)自(zi)然不穩(wen)定(ding)體，必須施(shi)加(jia)強(qiang)有(you)力(li)的控(kong)制手段才(cai)能使(shi)之穩(wen)定(ding)。因為兩輪(lun)(lun)平(ping)衡(heng)車(che)具有(you)運動(dong)靈活、智能控(kong)制、操(cao)作(zuo)簡單、節省能源、綠色環保、轉(zhuan)彎(wan)半徑(jing)為零等優點，所(suo)以(yi)它適用于在狹小空間內(nei)運行(xing)(xing)。

雙輪平(ping)(ping)衡(heng)車的(de)工作原理，非常類似于我們(men)人體(ti)自身的(de)平(ping)(ping)衡(heng)系統。就我們(men)的(de)人體(ti)而言，當身體(ti)重(zhong)心(xin)前傾(qing)時，為了保證平(ping)(ping)衡(heng)，我們(men)需(xu)要往(wang)(wang)前走；而當重(zhong)心(xin)后傾(qing)時，我們(men)需(xu)要往(wang)(wang)后走，其中也(ye)是(shi)同樣的(de)道(dao)理。

當我(wo)們(men)在駕(jia)駛平(ping)衡(heng)車的(de)時候，平(ping)衡(heng)車的(de)兩個輪(lun)子(zi)(zi)就代替了雙腳。與身體的(de)平(ping)衡(heng)系統非(fei)常類似，當我(wo)們(men)的(de)重心前(qian)傾時，智(zhi)能系統就會(hui)自(zi)動(dong)感應到，并精確地(di)驅動(dong)輪(lun)子(zi)(zi)向(xiang)前(qian)運(yun)(yun)動(dong)，以保持平(ping)衡(heng)；同(tong)樣地(di)，當我(wo)們(men)身體的(de)重心后傾時，輪(lun)子(zi)(zi)就會(hui)向(xiang)后運(yun)(yun)動(dong)。

這套工作原(yuan)理被稱為“動(dong)態(tai)平(ping)衡”原(yuan)理，這也是(shi)平(ping)衡車被叫(jiao)(jiao)做(zuo)“平(ping)衡車”的(de)原(yuan)因(yin)；有(you)時也被叫(jiao)(jiao)做(zuo)“體感(gan)(gan)(gan)車”，這是(shi)因(yin)為它能(neng)感(gan)(gan)(gan)應身(shen)體重心(xin)(xin)的(de)變(bian)化，因(yin)駕駛者(zhe)姿態(tai)的(de)變(bian)化而改變(bian)行駛狀態(tai)；有(you)時也被叫(jiao)(jiao)做(zuo)“思維車”，這是(shi)因(yin)為它能(neng)夠智能(neng)感(gan)(gan)(gan)應重心(xin)(xin)變(bian)化、智能(neng)調整姿態(tai)和運(yun)行狀態(tai)。

平(ping)衡(heng)車利(li)(li)用“動態(tai)平(ping)衡(heng)”原理，采用第二(er)代(dai)運動補償(chang)算法，利(li)(li)用其內部的陀(tuo)螺儀和(he)加速度傳(chuan)感器，來精確檢測車體姿(zi)態(tai)的微小變化(hua)，并利(li)(li)用精密的伺服(fu)控制系(xi)統，靈敏地驅動電機，進行(xing)相(xiang)應(ying)的調整，以(yi)保持整個車體的穩定和(he)平(ping)衡(heng)。

當我們旋轉(zhuan)方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱桿時(shi)(shi)，運行(xing)系統會相應地控制左右兩邊的(de)速度差(cha)，以此來實現車(che)體(ti)的(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。因此在騎行(xing)過(guo)程中，將(jiang)方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱桿指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)您需要前進的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)(shi)，車(che)體(ti)將(jiang)會朝(chao)著我們指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱桿處于車(che)體(ti)正(zheng)中間位置時(shi)(shi)，系統將(jiang)朝(chao)正(zheng)前方(fang)(fang)(fang)(fang)行(xing)駛。并且在轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)(shi)，如果身體(ti)跟隨方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱桿傾斜的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)傾斜，那么(me)我們將(jiang)會獲(huo)得更好的(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)驗(yan)。

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。