【平衡(heng)(heng)車的(de)原理(li)】自平衡(heng)(heng)單輪(lun)電(dian)動(dong)平衡(heng)(heng)車原理(li) 電(dian)動(dong)平衡(heng)(heng)車不(bu)倒(dao)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(yun)會。當時(shi)，場館里的警(jing)衛(wei)人員都會騎(qi)著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當時平(ping)衡車(che)(che)(che)這個新(xin)(xin)寵兒被附上“軍用”與“進口”雙重光(guang)環，讓許(xu)多(duo)人對這個新(xin)(xin)事物望而止步，以至(zhi)于平(ping)衡車(che)(che)(che)這類(lei)產品總是蒙(meng)上了(le)一層神秘感(gan)。今(jin)天(tian)，小編就(jiu)和大家一起來(lai)探(tan)尋平(ping)衡車(che)(che)(che)背后的(de)科(ke)學原理，平(ping)衡車(che)(che)(che)愛好者(zhe)們(men)你們(men)準(zhun)備好了(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(li)就是輪子(zi)把側翻力矩變(bian)成使自行車(che)轉向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自平衡電動(dong)獨輪車加以(yi)改進，靠電機驅動(dong)的(de)，采用陀螺儀(yi)與(yu)驅動(dong)電路(lu)控制(zhi)保持不倒(dao)。把身體向(xiang)前(qian)傾(qing)斜(xie)就可以(yi)啟動(dong)。速(su)(su)度則(ze)是(shi)由身體的(de)傾(qing)斜(xie)程度來控制(zhi)的(de)，想要加速(su)(su)則(ze)向(xiang)前(qian)傾(qing)，減速(su)(su)則(ze)向(xiang)后(hou)傾(qing)。

拋開人的(de)主動(dong)操(cao)控，獨輪平衡車保證正常(chang)工作一定離不(bu)開加速度(du)傳(chuan)感器(qi)和(he)角速度(du)傳(chuan)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軸向(xiang)上的加速度(du)(du)信號，車直立(li)時，固定加速度(du)(du)器(qi)在X軸水平方(fang)向，此時輸出信(xin)號為(wei)零(ling)偏電壓信(xin)號。當(dang)車(che)發生(sheng)傾斜時，重力加(jia)速度g便會在X軸(zhou)方向形成加速(su)度分量，從而引起(qi)該軸(zhou)輸出信號(hao)的變化。

但在實際車(che)運行過程(cheng)中，由(you)(you)于平衡車(che)本(ben)身的(de)運動所產(chan)(chan)生(sheng)的(de)加速(su)度會產(chan)(chan)生(sheng)很大的(de)干擾信(xin)(xin)號疊加在上述測(ce)量信(xin)(xin)號上，使得(de)輸出(chu)信(xin)(xin)號無法準確反(fan)映(ying)真正的(de)傾角。因(yin)此對于直立控制(zhi)所需(xu)要的(de)姿(zi)態信(xin)(xin)息不能(neng)完全由(you)(you)加速(su)度傳感器來獲得(de)。

角速度傳感器：

陀(tuo)螺儀(yi)可(ke)(ke)以用來測量物體的旋轉角速度(du)。平衡(heng)車上安裝(zhuang)陀(tuo)螺儀(yi)，可(ke)(ke)以測量車傾斜的角速度(du)，將角速度(du)信號進行積(ji)分處理便可(ke)(ke)以得到(dao)車的傾角。

談到(dao)平衡我們就(jiu)不得(de)不說到(dao)陀螺(luo)儀，陀螺(luo)儀的(de)(de)(de)原理就(jiu)是(shi)，一個旋(xuan)轉物體的(de)(de)(de)旋(xuan)轉軸所指的(de)(de)(de)方向在不受(shou)外力(li)影響時(shi)，是(shi)不會改變的(de)(de)(de)。人(ren)們根據這個道(dao)理，用它來保持(chi)方向，制造出來的(de)(de)(de)東(dong)西(xi)就(jiu)叫(jiao)陀螺(luo)儀。我們騎(qi)自行車其(qi)實也是(shi)利(li)用了(le)這個原理。

輪子轉得越(yue)快(kuai)越(yue)不容(rong)易(yi)倒(dao)，因為車軸有(you)一股(gu)保持水平的(de)力(li)量。陀螺儀在工(gong)作時要給(gei)它一個力(li)，使它快(kuai)速旋轉起來，一般能(neng)達到每分鐘幾十萬轉，可(ke)以工(gong)作很長時間。然后用多種(zhong)方法讀取軸所指示的(de)方向，并自動將數(shu)據信號傳給(gei)控(kong)制系統。

加速(su)度和角速(su)度兩(liang)個(ge)傳(chuan)感器都無法單(dan)獨(du)獲得動態情況(kuang)(kuang)下的(de)準(zhun)確(que)，穩定(ding)的(de)姿態，但是這(zhe)兩(liang)種(zhong)(zhong)傳(chuan)感器具有(you)互(hu)補性(xing)，即加速(su)度傳(chuan)感器，在(zai)(zai)靜態情況(kuang)(kuang)下使(shi)(shi)用(yong)效(xiao)果會(hui)好(hao)一(yi)(yi)些(xie)，陀螺(luo)儀在(zai)(zai)動態情況(kuang)(kuang)下使(shi)(shi)用(yong)，效(xiao)果會(hui)好(hao)一(yi)(yi)些(xie)。此時(shi)，就需要(yao)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)算法，來(lai)將這(zhe)兩(liang)種(zhong)(zhong)信(xin)號進(jin)行有(you)效(xiao)融(rong)合，才能獲取準(zhun)確(que)的(de)姿態信(xin)息。

所以電動獨輪平衡車主要通過控制器(qi)(qi)(qi)（智能芯(xin)片）、姿態(tai)(tai)(tai)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)（陀螺(luo)儀(yi)）、執行器(qi)(qi)(qi)（電(dian)機）三(san)部分來實現平衡(heng)。當(dang)駕駛(shi)者傾(qing)斜身體時，姿態(tai)(tai)(tai)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)輸出(chu)相(xiang)應(ying)姿態(tai)(tai)(tai)信(xin)息(xi)，控制器(qi)(qi)(qi)感(gan)知到這(zhe)個信(xin)息(xi)后，命令電(dian)機向(xiang)相(xiang)應(ying)方向(xiang)旋轉，姿態(tai)(tai)(tai)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)按一定頻率不停地測量(liang)車子姿態(tai)(tai)(tai)，并輸出(chu)姿態(tai)(tai)(tai)息(xi)到控制器(qi)(qi)(qi)，控制器(qi)(qi)(qi)不停地調整電(dian)機的(de)轉動(dong)方向(xiang)和轉速，這(zhe)樣就保持了一個動(dong)態(tai)(tai)(tai)的(de)平衡(heng)。

雙輪平衡車的工作原理

與獨輪平(ping)衡(heng)車(che)相比，雙輪最大的(de)區別便是(shi)多(duo)了一(yi)(yi)(yi)個輪子和(he)操(cao)縱桿，但它(ta)與電動自行(xing)車(che)和(he)摩(mo)托(tuo)車(che)車(che)輪前后排列方式(shi)不(bu)同，而是(shi)采(cai)用兩(liang)輪并(bing)排固(gu)定的(de)方式(shi)，就像一(yi)(yi)(yi)種(zhong)兩(liang)輪平(ping)行(xing)的(de)機(ji)器人一(yi)(yi)(yi)樣。兩(liang)輪自平(ping)衡(heng)控制系統是(shi)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)兩(liang)輪左右平(ping)行(xing)布置(zhi)的(de)，像傳統的(de)倒立(li)擺一(yi)(yi)(yi)樣，本身是(shi)一(yi)(yi)(yi)個自然不(bu)穩(wen)定體，必須施加(jia)強有(you)力的(de)控制手段才(cai)能使之穩(wen)定。因為兩(liang)輪平(ping)衡(heng)車(che)具有(you)運動靈活、智能控制、操(cao)作(zuo)簡單、節省能源、綠(lv)色環保、轉彎半(ban)徑為零等優點，所以(yi)它(ta)適用于在(zai)狹小空(kong)間內運行(xing)。

雙輪平衡車(che)的(de)工作原理(li)，非常類似于我們(men)(men)人體(ti)(ti)自(zi)身的(de)平衡系統(tong)。就(jiu)我們(men)(men)的(de)人體(ti)(ti)而(er)言，當身體(ti)(ti)重心前傾(qing)時，為了保證平衡，我們(men)(men)需要(yao)往前走(zou)(zou)；而(er)當重心后傾(qing)時，我們(men)(men)需要(yao)往后走(zou)(zou)，其(qi)中也是同樣的(de)道(dao)理(li)。

當(dang)(dang)我(wo)們(men)在駕駛(shi)平衡(heng)車的(de)(de)時(shi)候，平衡(heng)車的(de)(de)兩個輪子就代替(ti)了雙腳。與(yu)身體的(de)(de)平衡(heng)系統(tong)非(fei)常(chang)類似，當(dang)(dang)我(wo)們(men)的(de)(de)重(zhong)心前(qian)傾時(shi)，智能(neng)系統(tong)就會(hui)自動(dong)感應到，并精(jing)確(que)地驅(qu)動(dong)輪子向前(qian)運動(dong)，以保持平衡(heng)；同樣地，當(dang)(dang)我(wo)們(men)身體的(de)(de)重(zhong)心后傾時(shi)，輪子就會(hui)向后運動(dong)。

這套工作原理(li)被(bei)稱為“動態(tai)平衡(heng)”原理(li)，這也是平衡(heng)車(che)被(bei)叫(jiao)做“平衡(heng)車(che)”的原因；有(you)(you)時也被(bei)叫(jiao)做“體感車(che)”，這是因為它能感應(ying)身體重心(xin)的變化(hua)，因駕駛者姿態(tai)的變化(hua)而(er)改變行駛狀(zhuang)態(tai)；有(you)(you)時也被(bei)叫(jiao)做“思維車(che)”，這是因為它能夠智(zhi)能感應(ying)重心(xin)變化(hua)、智(zhi)能調整姿態(tai)和(he)運行狀(zhuang)態(tai)。

平衡車利(li)用“動態(tai)平衡”原(yuan)理，采用第二代運(yun)動補償算法，利(li)用其(qi)內(nei)部的陀螺儀和加速度傳感器(qi)，來精(jing)確檢測(ce)車體(ti)姿態(tai)的微小變(bian)化，并利(li)用精(jing)密(mi)的伺(si)服控制系(xi)統(tong)，靈敏地驅動電機，進行相應的調整，以保持(chi)整個(ge)車體(ti)的穩定和平衡。

當我(wo)們(men)旋轉(zhuan)方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)桿(gan)(gan)時(shi)，運行(xing)系(xi)(xi)統會(hui)(hui)相應地控制(zhi)左右兩(liang)邊的(de)速度差，以此(ci)來(lai)實現車(che)體的(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)。因此(ci)在(zai)騎行(xing)過程中，將(jiang)方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)桿(gan)(gan)指向(xiang)(xiang)(xiang)您需要前進的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，車(che)體將(jiang)會(hui)(hui)朝(chao)著我(wo)們(men)指向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)桿(gan)(gan)處(chu)于(yu)車(che)體正中間位置(zhi)時(shi)，系(xi)(xi)統將(jiang)朝(chao)正前方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)行(xing)駛。并且在(zai)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，如果身體跟隨方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)桿(gan)(gan)傾(qing)斜(xie)的(de)方(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)傾(qing)斜(xie)，那么我(wo)們(men)將(jiang)會(hui)(hui)獲(huo)得更好的(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)體驗。

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。