【平衡(heng)車的原(yuan)理(li)】自(zi)平衡(heng)單輪(lun)電(dian)動(dong)平衡(heng)車原(yuan)理(li) 電(dian)動(dong)平衡(heng)車不倒的原(yuan)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，場館里的警(jing)衛人(ren)員都會騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是(shi)當時平(ping)衡車這(zhe)個新(xin)寵(chong)兒被附(fu)上“軍用”與“進(jin)口”雙(shuang)重光(guang)環，讓許(xu)多(duo)人(ren)對這(zhe)個新(xin)事物望而止(zhi)步，以至(zhi)于平(ping)衡車這(zhe)類產品總是(shi)蒙(meng)上了一(yi)層神秘感。今天，小(xiao)編就和大家一(yi)起來探尋平(ping)衡車背(bei)后的(de)科學原(yuan)理，平(ping)衡車愛好(hao)者(zhe)們(men)你們(men)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(li)就是輪子把側翻力(li)矩變成使自行(xing)車轉(zhuan)向的力(li)矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自平(ping)衡電(dian)動(dong)(dong)獨(du)輪車加以(yi)改進，靠電(dian)機驅動(dong)(dong)的，采用陀(tuo)螺(luo)儀與驅動(dong)(dong)電(dian)路(lu)控制保持不倒。把身(shen)體向(xiang)前傾(qing)斜就可(ke)以(yi)啟動(dong)(dong)。速(su)度(du)(du)則(ze)(ze)是由身(shen)體的傾(qing)斜程度(du)(du)來控制的，想要加速(su)則(ze)(ze)向(xiang)前傾(qing)，減(jian)速(su)則(ze)(ze)向(xiang)后傾(qing)。

拋(pao)開人的主動操控，獨輪平衡車保證正常工作一定離不開加(jia)速度傳感器(qi)和角速度傳感器(qi)（陀螺(luo)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，車直立時，固定加速度器在X軸(zhou)水平方向(xiang)，此時輸出信號(hao)為零(ling)偏電壓信號(hao)。當車發(fa)生傾斜時，重力加速(su)度(du)g便會在(zai)X軸方向(xiang)形成加(jia)速度分量，從(cong)而引(yin)起該軸輸出(chu)信號(hao)的變化。

但(dan)在實(shi)際(ji)車(che)運(yun)行過程中，由于平衡車(che)本身的運(yun)動所產(chan)生(sheng)的加速度會產(chan)生(sheng)很大的干擾信(xin)號疊加在上述測(ce)量信(xin)號上，使得輸出信(xin)號無法準確反映真正的傾角。因此(ci)對于直立(li)控制所需要的姿態信(xin)息不(bu)能完全由加速度傳感器來獲(huo)得。

角速度傳感器：

陀(tuo)螺儀可(ke)(ke)以(yi)用來測(ce)量物體的(de)旋轉角(jiao)速(su)度。平(ping)衡車上安裝陀(tuo)螺儀，可(ke)(ke)以(yi)測(ce)量車傾斜的(de)角(jiao)速(su)度，將角(jiao)速(su)度信號進行(xing)積分處(chu)理(li)便(bian)可(ke)(ke)以(yi)得到車的(de)傾角(jiao)。

談到平(ping)衡我們(men)就不(bu)(bu)得不(bu)(bu)說到陀螺(luo)儀(yi)，陀螺(luo)儀(yi)的(de)(de)(de)(de)原理就是(shi)，一個(ge)旋轉物體的(de)(de)(de)(de)旋轉軸所指的(de)(de)(de)(de)方向在(zai)不(bu)(bu)受外力影(ying)響時，是(shi)不(bu)(bu)會(hui)改變的(de)(de)(de)(de)。人們(men)根據這(zhe)個(ge)道理，用(yong)它(ta)來保持(chi)方向，制造出來的(de)(de)(de)(de)東(dong)西就叫陀螺(luo)儀(yi)。我們(men)騎自行(xing)車其實也是(shi)利(li)用(yong)了這(zhe)個(ge)原理。

輪子轉得(de)越(yue)快越(yue)不容易倒，因為車軸(zhou)(zhou)有(you)一股保持水平的力(li)量。陀螺儀(yi)在工作時要給它一個力(li)，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可(ke)以工作很長時間。然后用多種(zhong)方法讀取軸(zhou)(zhou)所指示的方向，并自動將數據(ju)信(xin)號傳(chuan)給控(kong)制系統。

加速度和角速度兩個傳(chuan)感器都無法(fa)(fa)單獨獲(huo)得動態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)的準(zhun)確，穩定的姿態(tai)，但是這兩種傳(chuan)感器具有(you)互(hu)補性，即加速度傳(chuan)感器，在靜態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)使用效果(guo)會(hui)好一些，陀螺儀在動態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)使用，效果(guo)會(hui)好一些。此時，就需(xu)要(yao)一種算(suan)法(fa)(fa)，來(lai)將這兩種信號進行有(you)效融合，才能(neng)獲(huo)取(qu)準(zhun)確的姿態(tai)信息(xi)。

所以電動獨輪平衡車主(zhu)要通過(guo)控制(zhi)器（智能芯片(pian)）、姿(zi)態傳(chuan)感(gan)器（陀(tuo)螺儀）、執行器（電機(ji)(ji)）三部(bu)分來實(shi)現平(ping)衡。當駕駛(shi)者傾斜身體時(shi)，姿(zi)態傳(chuan)感(gan)器輸(shu)出相(xiang)應(ying)姿(zi)態信(xin)息(xi)，控制(zhi)器感(gan)知到這個(ge)信(xin)息(xi)后，命令電機(ji)(ji)向(xiang)相(xiang)應(ying)方向(xiang)旋轉(zhuan)，姿(zi)態傳(chuan)感(gan)器按一定(ding)頻率不(bu)(bu)停地測量(liang)車子(zi)姿(zi)態，并輸(shu)出姿(zi)態息(xi)到控制(zhi)器，控制(zhi)器不(bu)(bu)停地調(diao)整電機(ji)(ji)的轉(zhuan)動方向(xiang)和轉(zhuan)速(su)，這樣(yang)就(jiu)保持了一個(ge)動態的平(ping)衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨(du)輪(lun)(lun)平(ping)(ping)衡車相(xiang)比(bi)，雙輪(lun)(lun)最大的(de)區別(bie)便(bian)是(shi)多了一個輪(lun)(lun)子和操(cao)縱桿，但它與(yu)電動自(zi)行(xing)車和摩托車車輪(lun)(lun)前后排(pai)(pai)列方式不(bu)同，而是(shi)采用兩輪(lun)(lun)并排(pai)(pai)固定的(de)方式，就像(xiang)一種兩輪(lun)(lun)平(ping)(ping)行(xing)的(de)機器人(ren)一樣。兩輪(lun)(lun)自(zi)平(ping)(ping)衡控(kong)制(zhi)(zhi)系統是(shi)一種兩輪(lun)(lun)左右平(ping)(ping)行(xing)布置(zhi)的(de)，像(xiang)傳統的(de)倒立(li)擺(bai)一樣，本(ben)身是(shi)一個自(zi)然(ran)不(bu)穩(wen)定體，必須施加強有(you)力的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)手(shou)段才能(neng)使之穩(wen)定。因為兩輪(lun)(lun)平(ping)(ping)衡車具有(you)運動靈活(huo)、智能(neng)控(kong)制(zhi)(zhi)、操(cao)作簡單、節省能(neng)源、綠(lv)色環保、轉彎半徑(jing)為零等優點，所以(yi)它適用于(yu)在狹小空間內(nei)運行(xing)。

雙輪平(ping)衡車的(de)工(gong)作原理，非(fei)常類似于(yu)我們人體自身的(de)平(ping)衡系統。就我們的(de)人體而(er)言，當身體重(zhong)心前(qian)傾時，為了保證(zheng)平(ping)衡，我們需要往前(qian)走；而(er)當重(zhong)心后(hou)傾時，我們需要往后(hou)走，其中也是同樣的(de)道(dao)理。

當我(wo)們(men)在駕駛(shi)平衡(heng)車(che)的時(shi)候，平衡(heng)車(che)的兩(liang)個輪(lun)子(zi)(zi)就(jiu)(jiu)代替了雙腳(jiao)。與身(shen)體(ti)的平衡(heng)系統非常(chang)類似，當我(wo)們(men)的重心前(qian)傾時(shi)，智能系統就(jiu)(jiu)會自動(dong)感應(ying)到，并精確地(di)驅動(dong)輪(lun)子(zi)(zi)向前(qian)運動(dong)，以保持平衡(heng)；同樣地(di)，當我(wo)們(men)身(shen)體(ti)的重心后(hou)傾時(shi)，輪(lun)子(zi)(zi)就(jiu)(jiu)會向后(hou)運動(dong)。

這(zhe)套(tao)工作原(yuan)理被(bei)稱為(wei)“動態(tai)(tai)平衡(heng)(heng)”原(yuan)理，這(zhe)也是平衡(heng)(heng)車(che)被(bei)叫(jiao)做(zuo)“平衡(heng)(heng)車(che)”的(de)原(yuan)因(yin)；有時也被(bei)叫(jiao)做(zuo)“體感(gan)車(che)”，這(zhe)是因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)感(gan)應身體重心(xin)的(de)變(bian)化，因(yin)駕駛(shi)(shi)者姿(zi)態(tai)(tai)的(de)變(bian)化而改變(bian)行(xing)駛(shi)(shi)狀態(tai)(tai)；有時也被(bei)叫(jiao)做(zuo)“思維車(che)”，這(zhe)是因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)夠智(zhi)能(neng)感(gan)應重心(xin)變(bian)化、智(zhi)能(neng)調整姿(zi)態(tai)(tai)和運行(xing)狀態(tai)(tai)。

平衡(heng)車利(li)(li)用(yong)“動態平衡(heng)”原理，采用(yong)第(di)二代運動補償算法，利(li)(li)用(yong)其(qi)內部的陀(tuo)螺(luo)儀和加速度傳感器，來(lai)精確(que)檢測車體(ti)姿(zi)態的微小變化，并利(li)(li)用(yong)精密的伺服控制系統(tong)，靈敏(min)地驅動電機，進行相應的調整，以保持整個車體(ti)的穩定和平衡(heng)。

當我(wo)(wo)們旋轉(zhuan)方(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)時(shi)，運行(xing)(xing)系統(tong)(tong)會(hui)相(xiang)應(ying)地控制(zhi)左右兩邊的(de)(de)速度差，以(yi)此來實現車(che)體的(de)(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)。因(yin)此在騎行(xing)(xing)過程中，將方(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)指向(xiang)(xiang)您需要前(qian)進(jin)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)時(shi)，車(che)體將會(hui)朝(chao)著我(wo)(wo)們指向(xiang)(xiang)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)行(xing)(xing)駛。當方(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)處于車(che)體正中間(jian)位置時(shi)，系統(tong)(tong)將朝(chao)正前(qian)方(fang)行(xing)(xing)駛。并且在轉(zhuan)向(xiang)(xiang)時(shi)，如果身體跟隨方(fang)向(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)傾斜(xie)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)傾斜(xie)，那(nei)么我(wo)(wo)們將會(hui)獲得更好的(de)(de)轉(zhuan)向(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。