【平(ping)(ping)衡車(che)的原理(li)(li)】自平(ping)(ping)衡單輪電(dian)動平(ping)(ping)衡車(che)原理(li)(li) 電(dian)動平(ping)(ping)衡車(che)不倒的原理(li)(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(hui)(hui)。當時，場(chang)館里的(de)警衛人員(yuan)都會(hui)(hui)騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是(shi)當(dang)時(shi)平衡(heng)(heng)車(che)這(zhe)個新(xin)寵兒被附上“軍用”與“進口(kou)”雙重光(guang)環，讓(rang)許多人對(dui)這(zhe)個新(xin)事物望而止步，以(yi)至于平衡(heng)(heng)車(che)這(zhe)類產品總是(shi)蒙(meng)上了一層神秘(mi)感。今(jin)天，小編就和大家一起來探尋平衡(heng)(heng)車(che)背(bei)后的科學(xue)原理，平衡(heng)(heng)車(che)愛好者們你(ni)們準備(bei)好了么？

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。在這里就是輪子把側翻力矩變(bian)成使自行(xing)車轉向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎(chu)上(shang)，自(zi)平衡電動獨輪車加以(yi)改進，靠電機驅動的(de)，采用陀螺(luo)儀與驅動電路控(kong)制保持不(bu)倒(dao)。把身(shen)體向前(qian)(qian)傾斜(xie)就可以(yi)啟(qi)動。速度則(ze)是由(you)身(shen)體的(de)傾斜(xie)程度來控(kong)制的(de)，想要加速則(ze)向前(qian)(qian)傾，減(jian)速則(ze)向后傾。

拋(pao)開人的主動操控，獨輪平衡車保證正(zheng)常工作一定離不開加速度傳感器(qi)和角速度傳感器(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軸向(xiang)上的加(jia)速(su)度信號，車直立時，固定(ding)加(jia)速(su)度器(qi)在X軸水平(ping)方向(xiang)，此(ci)時輸出信(xin)號為零偏電壓信(xin)號。當車發生傾斜時，重力加(jia)速(su)度(du)g便會(hui)在X軸(zhou)方向形成加速度分量，從(cong)而引(yin)起該軸(zhou)輸出信號的變化。

但在(zai)實際車運行過程(cheng)中，由(you)于(yu)平衡車本身(shen)的(de)(de)運動所(suo)產生的(de)(de)加速度會產生很(hen)大的(de)(de)干擾信(xin)號疊(die)加在(zai)上述測量信(xin)號上，使得輸(shu)出信(xin)號無法(fa)準確反映真正的(de)(de)傾角。因此對于(yu)直立(li)控制(zhi)所(suo)需要(yao)的(de)(de)姿態信(xin)息不能(neng)完全由(you)加速度傳感器來(lai)獲得。

角速度傳感器：

陀螺儀(yi)可以用來測量物體(ti)的(de)(de)旋轉(zhuan)角速度。平衡車上安裝陀螺儀(yi)，可以測量車傾斜的(de)(de)角速度，將角速度信(xin)號進行(xing)積(ji)分(fen)處理便可以得到車的(de)(de)傾角。

談到平衡我(wo)們(men)就(jiu)(jiu)不(bu)得不(bu)說到陀螺(luo)儀，陀螺(luo)儀的(de)(de)(de)原(yuan)理(li)就(jiu)(jiu)是，一個(ge)旋轉物體的(de)(de)(de)旋轉軸所指的(de)(de)(de)方向在不(bu)受外力影響時，是不(bu)會改變的(de)(de)(de)。人(ren)們(men)根據這個(ge)道理(li)，用它來(lai)保(bao)持方向，制(zhi)造出來(lai)的(de)(de)(de)東西就(jiu)(jiu)叫陀螺(luo)儀。我(wo)們(men)騎自行車其實(shi)也是利用了這個(ge)原(yuan)理(li)。

輪(lun)子轉得越快(kuai)越不容易倒，因為(wei)車軸(zhou)有一(yi)股保持水平的(de)力量。陀螺儀在工(gong)(gong)作(zuo)時要給(gei)它一(yi)個力，使(shi)它快(kuai)速旋轉起來，一(yi)般能達到每分鐘幾十萬轉，可以(yi)工(gong)(gong)作(zuo)很長時間。然后用多種方法讀取軸(zhou)所指示(shi)的(de)方向，并(bing)自動將(jiang)數據(ju)信號傳給(gei)控制(zhi)系統。

加速度和(he)角速度兩個傳(chuan)(chuan)感器(qi)都無(wu)法(fa)單獨獲得動態(tai)情(qing)況下的準確，穩定(ding)的姿態(tai)，但是這兩種傳(chuan)(chuan)感器(qi)具有(you)互補性，即加速度傳(chuan)(chuan)感器(qi)，在靜態(tai)情(qing)況下使用效(xiao)(xiao)果會好一些，陀螺儀在動態(tai)情(qing)況下使用，效(xiao)(xiao)果會好一些。此(ci)時，就需(xu)要一種算法(fa)，來將這兩種信號進行有(you)效(xiao)(xiao)融合，才(cai)能獲取準確的姿態(tai)信息。

所以電動獨輪平衡車主(zhu)要通過控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)（智能芯(xin)片）、姿(zi)態傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)（陀螺(luo)儀）、執(zhi)行器(qi)(qi)(qi)（電(dian)機）三部分來(lai)實現平衡(heng)。當駕駛者(zhe)傾(qing)斜身體時，姿(zi)態傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)輸(shu)出(chu)相應(ying)(ying)姿(zi)態信息，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)感(gan)知到這(zhe)個信息后，命令電(dian)機向相應(ying)(ying)方(fang)向旋轉(zhuan)，姿(zi)態傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)按一定(ding)頻率不停地測量車(che)子(zi)姿(zi)態，并輸(shu)出(chu)姿(zi)態息到控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)不停地調整電(dian)機的(de)(de)轉(zhuan)動方(fang)向和轉(zhuan)速，這(zhe)樣就(jiu)保持了一個動態的(de)(de)平衡(heng)。

雙輪平衡車的工作原理

與獨輪(lun)(lun)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡車(che)(che)相比，雙輪(lun)(lun)最大的(de)(de)區別便是多了(le)一(yi)(yi)個(ge)輪(lun)(lun)子和操(cao)縱桿，但它(ta)(ta)與電動(dong)自行(xing)(xing)車(che)(che)和摩托車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)(lun)前后排列方(fang)式(shi)不(bu)同(tong)，而是采用(yong)(yong)兩輪(lun)(lun)并(bing)排固定(ding)的(de)(de)方(fang)式(shi)，就像一(yi)(yi)種兩輪(lun)(lun)平(ping)(ping)(ping)(ping)行(xing)(xing)的(de)(de)機器人一(yi)(yi)樣。兩輪(lun)(lun)自平(ping)(ping)(ping)(ping)衡控制系統是一(yi)(yi)種兩輪(lun)(lun)左右平(ping)(ping)(ping)(ping)行(xing)(xing)布置的(de)(de)，像傳(chuan)統的(de)(de)倒立擺一(yi)(yi)樣，本身(shen)是一(yi)(yi)個(ge)自然不(bu)穩(wen)定(ding)體，必須(xu)施加強有力的(de)(de)控制手段(duan)才能(neng)使之(zhi)穩(wen)定(ding)。因為兩輪(lun)(lun)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡車(che)(che)具有運(yun)(yun)動(dong)靈活、智能(neng)控制、操(cao)作簡單、節省能(neng)源(yuan)、綠色(se)環(huan)保、轉彎(wan)半徑為零等優點，所(suo)以它(ta)(ta)適用(yong)(yong)于在狹(xia)小空間(jian)內運(yun)(yun)行(xing)(xing)。

雙輪平衡車的工作(zuo)原理，非(fei)常類(lei)似于我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)人(ren)(ren)體自身(shen)的平衡系統。就我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)的人(ren)(ren)體而(er)言，當身(shen)體重(zhong)(zhong)心前(qian)傾(qing)時，為了保證(zheng)平衡，我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)需要往前(qian)走；而(er)當重(zhong)(zhong)心后傾(qing)時，我(wo)(wo)(wo)們(men)(men)需要往后走，其中也是同樣的道理。

當我們在駕駛平(ping)衡(heng)(heng)車的(de)(de)時候(hou)，平(ping)衡(heng)(heng)車的(de)(de)兩(liang)個輪(lun)(lun)子就代替了雙腳。與身體(ti)的(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)系統非常類似，當我們的(de)(de)重心前(qian)傾(qing)時，智能系統就會(hui)自(zi)動(dong)(dong)(dong)感應(ying)到(dao)，并(bing)精確地驅(qu)動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)子向前(qian)運動(dong)(dong)(dong)，以保持(chi)平(ping)衡(heng)(heng)；同樣(yang)地，當我們身體(ti)的(de)(de)重心后傾(qing)時，輪(lun)(lun)子就會(hui)向后運動(dong)(dong)(dong)。

這(zhe)套工(gong)作原(yuan)理被(bei)稱(cheng)為“動態(tai)平(ping)衡(heng)”原(yuan)理，這(zhe)也(ye)是(shi)平(ping)衡(heng)車被(bei)叫(jiao)(jiao)(jiao)做(zuo)“平(ping)衡(heng)車”的原(yuan)因；有(you)時也(ye)被(bei)叫(jiao)(jiao)(jiao)做(zuo)“體感車”，這(zhe)是(shi)因為它能(neng)感應身體重心的變(bian)(bian)化(hua)(hua)，因駕駛者姿態(tai)的變(bian)(bian)化(hua)(hua)而(er)改變(bian)(bian)行駛狀態(tai)；有(you)時也(ye)被(bei)叫(jiao)(jiao)(jiao)做(zuo)“思(si)維車”，這(zhe)是(shi)因為它能(neng)夠智(zhi)能(neng)感應重心變(bian)(bian)化(hua)(hua)、智(zhi)能(neng)調整姿態(tai)和(he)運行狀態(tai)。

平衡車利(li)用“動(dong)(dong)態平衡”原理，采(cai)用第二(er)代(dai)運動(dong)(dong)補償算法(fa)，利(li)用其內部的陀螺(luo)儀和(he)加速度傳感器，來精確檢測車體(ti)姿態的微小變化(hua)，并利(li)用精密(mi)的伺服控制系統，靈敏地(di)驅動(dong)(dong)電機，進行相(xiang)應(ying)的調整(zheng)，以保持整(zheng)個車體(ti)的穩定和(he)平衡。

當我(wo)們旋轉方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)(gan)時(shi)(shi)，運行系統(tong)會相應地控制左(zuo)右兩邊的(de)速度差，以此(ci)(ci)來實現車(che)體的(de)轉向(xiang)。因此(ci)(ci)在騎行過程中，將方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)(gan)指向(xiang)您需要前進的(de)方(fang)向(xiang)時(shi)(shi)，車(che)體將會朝著我(wo)們指向(xiang)的(de)方(fang)向(xiang)行駛(shi)。當方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)(gan)處于車(che)體正中間位置時(shi)(shi)，系統(tong)將朝正前方(fang)行駛(shi)。并且在轉向(xiang)時(shi)(shi)，如果身體跟隨方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)(gan)傾斜的(de)方(fang)向(xiang)傾斜，那么我(wo)們將會獲得更好的(de)轉向(xiang)體驗(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。