【平衡車(che)的原(yuan)(yuan)理】自(zi)平衡單輪(lun)電動(dong)平衡車(che)原(yuan)(yuan)理 電動(dong)平衡車(che)不倒的原(yuan)(yuan)理

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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(hui)。當時，場(chang)館(guan)里的警衛人員(yuan)都會(hui)騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當時平(ping)(ping)衡車(che)(che)這個新寵(chong)兒被(bei)附上“軍(jun)用”與(yu)“進口”雙重(zhong)光環，讓(rang)許多(duo)人(ren)對這個新事物望而止(zhi)步，以至于平(ping)(ping)衡車(che)(che)這類產品總是蒙上了一層神秘(mi)感。今天，小編(bian)就和大(da)家一起來探(tan)尋平(ping)(ping)衡車(che)(che)背后(hou)的科學(xue)原(yuan)理，平(ping)(ping)衡車(che)(che)愛(ai)好(hao)者們你(ni)們準備好(hao)了么？

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(zai)這(zhe)里就是輪(lun)子把側翻力矩變成使自行車轉(zhuan)向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自(zi)平衡電動獨輪(lun)車加以改進，靠電機驅動的(de)，采用陀螺(luo)儀與驅動電路控(kong)制保(bao)持不倒(dao)。把(ba)身(shen)體向(xiang)前傾斜就(jiu)可以啟動。速度則是由身(shen)體的(de)傾斜程度來(lai)控(kong)制的(de)，想(xiang)要(yao)加速則向(xiang)前傾，減速則向(xiang)后傾。

拋開人(ren)的主動操控，獨輪平(ping)衡車保證(zheng)正常工作一定離不開加速度(du)傳感(gan)(gan)器和角速度(du)傳感(gan)(gan)器（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軸向上的加速度信號(hao)，車直立(li)時，固(gu)定(ding)加速度器在X軸水平(ping)方向，此時輸出信號為零偏電壓(ya)信號。當車(che)發生(sheng)傾斜時，重力加速度g便會在X軸(zhou)方向形成加速度(du)分量，從而(er)引起該軸(zhou)輸出信(xin)號的變(bian)化。

但在實際車運行過(guo)程(cheng)中(zhong)，由(you)(you)于平(ping)衡車本身的(de)運動所產生(sheng)的(de)加(jia)速度會產生(sheng)很大的(de)干擾(rao)信號疊加(jia)在上(shang)述測量信號上(shang)，使(shi)得輸(shu)出信號無(wu)法準確(que)反映(ying)真正的(de)傾角(jiao)。因(yin)此對于直立(li)控制所需要的(de)姿(zi)態信息不能完全由(you)(you)加(jia)速度傳感器(qi)來獲得。

角速度傳感器：

陀(tuo)(tuo)螺儀可以用來測量物(wu)體的(de)(de)旋轉(zhuan)角(jiao)速(su)度。平衡車上安裝陀(tuo)(tuo)螺儀，可以測量車傾(qing)斜的(de)(de)角(jiao)速(su)度，將角(jiao)速(su)度信號(hao)進行(xing)積(ji)分處(chu)理便可以得到車的(de)(de)傾(qing)角(jiao)。

談(tan)到(dao)(dao)平衡(heng)我們就不(bu)得不(bu)說(shuo)到(dao)(dao)陀螺(luo)儀，陀螺(luo)儀的(de)(de)(de)原理(li)(li)就是，一個(ge)(ge)旋(xuan)轉物體的(de)(de)(de)旋(xuan)轉軸(zhou)所指的(de)(de)(de)方向(xiang)在不(bu)受(shou)外力影響時，是不(bu)會改變(bian)的(de)(de)(de)。人們根(gen)據這個(ge)(ge)道理(li)(li)，用(yong)它來保持方向(xiang)，制造出來的(de)(de)(de)東西就叫陀螺(luo)儀。我們騎(qi)自行車其(qi)實也是利(li)用(yong)了這個(ge)(ge)原理(li)(li)。

輪子(zi)轉(zhuan)得越(yue)快越(yue)不(bu)容易倒，因為車軸(zhou)有一股(gu)保持水(shui)平的(de)力量(liang)。陀螺儀在工作時要(yao)給(gei)(gei)它(ta)一個力，使它(ta)快速(su)旋轉(zhuan)起來，一般能達到(dao)每分鐘幾(ji)十萬轉(zhuan)，可以工作很長(chang)時間。然后用多(duo)種方法(fa)讀取軸(zhou)所指示的(de)方向，并自動將數據信號傳給(gei)(gei)控制系統。

加速(su)度(du)和角速(su)度(du)兩個傳感器(qi)都無(wu)法(fa)單獨獲得動態情況下的準確，穩定的姿(zi)態，但(dan)是(shi)這兩種(zhong)(zhong)傳感器(qi)具有互補(bu)性，即加速(su)度(du)傳感器(qi)，在靜(jing)態情況下使(shi)用效果會(hui)好(hao)一些，陀螺(luo)儀在動態情況下使(shi)用，效果會(hui)好(hao)一些。此時，就需要一種(zhong)(zhong)算法(fa)，來將這兩種(zhong)(zhong)信號進行有效融合(he)，才能獲取準確的姿(zi)態信息。

所以電動獨輪平衡車主要(yao)通過控(kong)(kong)制器(qi)（智(zhi)能芯片(pian)）、姿(zi)態(tai)(tai)傳感器(qi)（陀螺儀）、執行器(qi)（電機(ji)）三(san)部分來實現平(ping)衡(heng)。當駕駛者傾斜身體時，姿(zi)態(tai)(tai)傳感器(qi)輸(shu)出相應(ying)姿(zi)態(tai)(tai)信息(xi)，控(kong)(kong)制器(qi)感知到這個信息(xi)后，命(ming)令電機(ji)向(xiang)相應(ying)方(fang)向(xiang)旋(xuan)轉，姿(zi)態(tai)(tai)傳感器(qi)按一定頻率不(bu)停地測量車(che)子(zi)姿(zi)態(tai)(tai)，并輸(shu)出姿(zi)態(tai)(tai)息(xi)到控(kong)(kong)制器(qi)，控(kong)(kong)制器(qi)不(bu)停地調整電機(ji)的轉動方(fang)向(xiang)和轉速，這樣(yang)就保持(chi)了一個動態(tai)(tai)的平(ping)衡(heng)。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)(yu)獨輪(lun)(lun)平衡(heng)車(che)相(xiang)比，雙輪(lun)(lun)最(zui)大的(de)區別(bie)便是(shi)(shi)多了一(yi)(yi)個輪(lun)(lun)子和操(cao)縱桿，但它(ta)與(yu)(yu)電動(dong)自(zi)行車(che)和摩托車(che)車(che)輪(lun)(lun)前后排列(lie)方式不(bu)(bu)同(tong)，而是(shi)(shi)采(cai)用兩(liang)輪(lun)(lun)并(bing)排固定(ding)的(de)方式，就像(xiang)(xiang)一(yi)(yi)種(zhong)兩(liang)輪(lun)(lun)平行的(de)機(ji)器(qi)人一(yi)(yi)樣。兩(liang)輪(lun)(lun)自(zi)平衡(heng)控(kong)制(zhi)(zhi)系統是(shi)(shi)一(yi)(yi)種(zhong)兩(liang)輪(lun)(lun)左右平行布置的(de)，像(xiang)(xiang)傳統的(de)倒(dao)立擺一(yi)(yi)樣，本身是(shi)(shi)一(yi)(yi)個自(zi)然不(bu)(bu)穩定(ding)體，必(bi)須施加強有(you)力的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)手段才能(neng)使之穩定(ding)。因為兩(liang)輪(lun)(lun)平衡(heng)車(che)具(ju)有(you)運(yun)動(dong)靈活、智(zhi)能(neng)控(kong)制(zhi)(zhi)、操(cao)作簡單、節省能(neng)源、綠色(se)環保、轉(zhuan)彎半徑為零等優點，所以它(ta)適用于(yu)在狹小空間內(nei)運(yun)行。

雙輪平衡車的(de)工作原(yuan)理，非常類似于我(wo)(wo)們(men)人體自身的(de)平衡系統。就我(wo)(wo)們(men)的(de)人體而言，當身體重心前(qian)傾時，為了保證平衡，我(wo)(wo)們(men)需(xu)要往(wang)前(qian)走；而當重心后(hou)傾時，我(wo)(wo)們(men)需(xu)要往(wang)后(hou)走，其中也是同(tong)樣(yang)的(de)道理。

當(dang)我們在(zai)駕駛(shi)平(ping)衡(heng)(heng)車的時(shi)候(hou)，平(ping)衡(heng)(heng)車的兩個(ge)輪(lun)子就(jiu)(jiu)代替了雙腳。與(yu)身體的平(ping)衡(heng)(heng)系(xi)統非常類似，當(dang)我們的重心(xin)前傾(qing)時(shi)，智能系(xi)統就(jiu)(jiu)會自動感應到，并(bing)精(jing)確(que)地驅動輪(lun)子向(xiang)(xiang)前運(yun)動，以保持平(ping)衡(heng)(heng)；同樣地，當(dang)我們身體的重心(xin)后傾(qing)時(shi)，輪(lun)子就(jiu)(jiu)會向(xiang)(xiang)后運(yun)動。

這(zhe)套工作原理(li)被(bei)稱為“動(dong)態平(ping)(ping)衡”原理(li)，這(zhe)也是平(ping)(ping)衡車(che)被(bei)叫(jiao)(jiao)做“平(ping)(ping)衡車(che)”的(de)原因(yin)；有時也被(bei)叫(jiao)(jiao)做“體感車(che)”，這(zhe)是因(yin)為它能(neng)感應身體重心(xin)的(de)變化，因(yin)駕駛者姿(zi)態的(de)變化而(er)改變行駛狀態；有時也被(bei)叫(jiao)(jiao)做“思維(wei)車(che)”，這(zhe)是因(yin)為它能(neng)夠(gou)智能(neng)感應重心(xin)變化、智能(neng)調整姿(zi)態和(he)運行狀態。

平衡(heng)車(che)(che)利(li)用“動(dong)態(tai)(tai)平衡(heng)”原理，采用第二代運動(dong)補償算法，利(li)用其內部的(de)陀(tuo)螺(luo)儀和加速(su)度傳感器(qi)，來精確檢(jian)測車(che)(che)體(ti)姿(zi)態(tai)(tai)的(de)微小(xiao)變化(hua)，并利(li)用精密的(de)伺服控制(zhi)系(xi)統(tong)，靈敏地(di)驅動(dong)電機，進行相應的(de)調整(zheng)(zheng)，以保持整(zheng)(zheng)個車(che)(che)體(ti)的(de)穩定和平衡(heng)。

當我(wo)(wo)們旋(xuan)轉方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)桿(gan)(gan)時(shi)，運行(xing)系統(tong)會相(xiang)應地(di)控制左右兩邊的(de)速(su)度差，以此(ci)來實現車體(ti)的(de)轉向(xiang)(xiang)。因此(ci)在騎行(xing)過(guo)程中，將(jiang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)桿(gan)(gan)指向(xiang)(xiang)您(nin)需要前(qian)進的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)時(shi)，車體(ti)將(jiang)會朝著我(wo)(wo)們指向(xiang)(xiang)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)桿(gan)(gan)處于(yu)車體(ti)正中間位置時(shi)，系統(tong)將(jiang)朝正前(qian)方(fang)(fang)行(xing)駛。并且在轉向(xiang)(xiang)時(shi)，如果身(shen)體(ti)跟(gen)隨方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)桿(gan)(gan)傾(qing)斜(xie)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)傾(qing)斜(xie)，那么我(wo)(wo)們將(jiang)會獲(huo)得(de)更好的(de)轉向(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。