【平衡車的(de)原(yuan)理】自平衡單輪電動(dong)平衡車原(yuan)理 電動(dong)平衡車不倒的(de)原(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(ao)運會(hui)。當時，場館里的(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(shi)當時平(ping)(ping)衡車(che)這個新(xin)寵(chong)兒被附上“軍用”與“進口”雙重光環(huan)，讓許多人對這個新(xin)事(shi)物望(wang)而止步，以(yi)至于平(ping)(ping)衡車(che)這類產品(pin)總(zong)是(shi)蒙(meng)上了一層神秘(mi)感。今天(tian)，小(xiao)編就和(he)大家一起來探尋平(ping)(ping)衡車(che)背后的(de)科(ke)學原(yuan)理，平(ping)(ping)衡車(che)愛好(hao)者們你們準(zhun)備(bei)好(hao)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。在這里就(jiu)是輪(lun)子把(ba)側翻力矩變(bian)成使(shi)自行(xing)車(che)轉向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎(chu)上，自(zi)平(ping)衡電動(dong)(dong)獨輪車加以改進(jin)，靠電機驅(qu)動(dong)(dong)的，采用陀螺(luo)儀與(yu)驅(qu)動(dong)(dong)電路控制(zhi)保持不倒(dao)。把(ba)身體向前(qian)傾(qing)斜(xie)就可以啟動(dong)(dong)。速度則(ze)是(shi)由身體的傾(qing)斜(xie)程度來控制(zhi)的，想要加速則(ze)向前(qian)傾(qing)，減速則(ze)向后傾(qing)。

拋開人的(de)主動操控，獨輪(lun)平衡車(che)保(bao)證正常工作一定離不開加速度(du)傳(chuan)感器(qi)和角速度(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(zhou)向上的加速度信號，車直(zhi)立時，固定(ding)加速度器在(zai)X軸水平方向，此時(shi)輸出信(xin)(xin)號為零偏(pian)電壓(ya)信(xin)(xin)號。當車發生(sheng)傾斜時(shi)，重力加速(su)度g便會在X軸(zhou)方(fang)向形成(cheng)加速(su)度分量，從而引起該軸(zhou)輸(shu)出信號的變化。

但(dan)在實際車運行過程中，由于平衡車本身的運動所產(chan)生的加速度會產(chan)生很(hen)大的干擾(rao)信(xin)(xin)號疊加在上(shang)述測量信(xin)(xin)號上(shang)，使得輸(shu)出(chu)信(xin)(xin)號無法準確反映(ying)真正的傾角。因(yin)此(ci)對于直立控制所需要的姿態信(xin)(xin)息不能完全由加速度傳感器來獲(huo)得。

角速度傳感器：

陀螺(luo)儀(yi)可以用來測量物體的旋轉(zhuan)角(jiao)速度(du)。平衡車(che)上安裝陀螺(luo)儀(yi)，可以測量車(che)傾斜的角(jiao)速度(du)，將角(jiao)速度(du)信號進行積分處理便可以得到(dao)車(che)的傾角(jiao)。

談到平衡我(wo)們就不得不說到陀(tuo)螺儀，陀(tuo)螺儀的(de)(de)原(yuan)理就是(shi)(shi)，一個(ge)旋(xuan)轉物體(ti)的(de)(de)旋(xuan)轉軸所指的(de)(de)方向(xiang)在(zai)不受(shou)外力(li)影響(xiang)時，是(shi)(shi)不會改變的(de)(de)。人(ren)們根據(ju)這(zhe)個(ge)道理，用它來保持方向(xiang)，制造出來的(de)(de)東西就叫陀(tuo)螺儀。我(wo)們騎自行車其實也是(shi)(shi)利用了這(zhe)個(ge)原(yuan)理。

輪子(zi)轉得越(yue)快(kuai)越(yue)不容易倒，因為車軸有一股(gu)保(bao)持水平的力(li)量。陀(tuo)螺儀在工(gong)作(zuo)時要(yao)給它(ta)一個力(li)，使它(ta)快(kuai)速旋轉起來，一般能(neng)達到每分(fen)鐘(zhong)幾十萬轉，可以(yi)工(gong)作(zuo)很長(chang)時間。然后(hou)用多種方法讀取軸所(suo)指示的方向(xiang)，并自(zi)動將數(shu)據信號傳(chuan)給控(kong)制系統。

加(jia)速度和(he)角速度兩個傳(chuan)感器都無法單獨獲得動(dong)(dong)態情(qing)(qing)況(kuang)下的準確(que)，穩(wen)定的姿(zi)(zi)態，但(dan)是這兩種傳(chuan)感器具有互補性，即加(jia)速度傳(chuan)感器，在(zai)靜態情(qing)(qing)況(kuang)下使(shi)用效果會好(hao)一(yi)些，陀螺儀在(zai)動(dong)(dong)態情(qing)(qing)況(kuang)下使(shi)用，效果會好(hao)一(yi)些。此時，就需要一(yi)種算(suan)法，來將這兩種信號(hao)進(jin)行有效融合，才(cai)能獲取準確(que)的姿(zi)(zi)態信息。

所以電動獨輪平衡車主要通過控制(zhi)器(qi)(qi)（智能(neng)芯片）、姿(zi)態(tai)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)（陀螺(luo)儀(yi)）、執行(xing)器(qi)(qi)（電(dian)機）三部分來實(shi)現平衡(heng)(heng)。當駕(jia)駛者傾斜身體時，姿(zi)態(tai)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)輸出相(xiang)應(ying)姿(zi)態(tai)信息，控制(zhi)器(qi)(qi)感(gan)(gan)知到這個信息后，命令電(dian)機向相(xiang)應(ying)方向旋轉，姿(zi)態(tai)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)按一(yi)定頻率不停地測量車子姿(zi)態(tai)，并輸出姿(zi)態(tai)息到控制(zhi)器(qi)(qi)，控制(zhi)器(qi)(qi)不停地調整電(dian)機的轉動方向和轉速，這樣就保持了一(yi)個動態(tai)的平衡(heng)(heng)。

雙輪平衡車的工作原理

與獨輪(lun)平(ping)衡(heng)車相比，雙輪(lun)最(zui)大的(de)區(qu)別(bie)便是多了(le)一個輪(lun)子和操縱桿，但它(ta)與電動(dong)自(zi)(zi)行車和摩(mo)托車車輪(lun)前后排(pai)列方(fang)式(shi)不同，而(er)是采(cai)用兩(liang)(liang)輪(lun)并排(pai)固(gu)定(ding)的(de)方(fang)式(shi)，就像一種(zhong)兩(liang)(liang)輪(lun)平(ping)行的(de)機器人(ren)一樣。兩(liang)(liang)輪(lun)自(zi)(zi)平(ping)衡(heng)控(kong)制(zhi)系統(tong)是一種(zhong)兩(liang)(liang)輪(lun)左右(you)平(ping)行布置的(de)，像傳(chuan)統(tong)的(de)倒立擺一樣，本身是一個自(zi)(zi)然不穩(wen)(wen)定(ding)體，必須(xu)施加(jia)強有力的(de)控(kong)制(zhi)手段才能(neng)(neng)使(shi)之穩(wen)(wen)定(ding)。因為(wei)兩(liang)(liang)輪(lun)平(ping)衡(heng)車具有運(yun)動(dong)靈(ling)活、智能(neng)(neng)控(kong)制(zhi)、操作簡單、節省能(neng)(neng)源、綠色環保、轉彎半徑為(wei)零等優點，所以它(ta)適(shi)用于(yu)在狹小空(kong)間內運(yun)行。

雙輪(lun)平衡車(che)的(de)工作原理，非(fei)常(chang)類似于我們(men)(men)人(ren)體自身的(de)平衡系統。就我們(men)(men)的(de)人(ren)體而言(yan)，當身體重心(xin)前傾(qing)(qing)時，為了保(bao)證平衡，我們(men)(men)需(xu)要往前走；而當重心(xin)后傾(qing)(qing)時，我們(men)(men)需(xu)要往后走，其中也是(shi)同(tong)樣的(de)道理。

當我(wo)們(men)在駕駛平(ping)衡車的(de)時(shi)候，平(ping)衡車的(de)兩個輪子(zi)(zi)就代(dai)替(ti)了雙腳。與身體(ti)的(de)平(ping)衡系統非(fei)常(chang)類(lei)似，當我(wo)們(men)的(de)重心前傾(qing)時(shi)，智(zhi)能系統就會自動感(gan)應到，并精(jing)確地(di)(di)驅動輪子(zi)(zi)向前運動，以保持(chi)平(ping)衡；同樣地(di)(di)，當我(wo)們(men)身體(ti)的(de)重心后(hou)傾(qing)時(shi)，輪子(zi)(zi)就會向后(hou)運動。

這套(tao)工(gong)作(zuo)原(yuan)理被(bei)稱為(wei)“動態(tai)(tai)平衡(heng)”原(yuan)理，這也是(shi)(shi)平衡(heng)車被(bei)叫做(zuo)(zuo)“平衡(heng)車”的(de)原(yuan)因(yin)；有時也被(bei)叫做(zuo)(zuo)“體感車”，這是(shi)(shi)因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)感應身體重心的(de)變(bian)(bian)化，因(yin)駕駛者姿態(tai)(tai)的(de)變(bian)(bian)化而改變(bian)(bian)行(xing)駛狀態(tai)(tai)；有時也被(bei)叫做(zuo)(zuo)“思維(wei)車”，這是(shi)(shi)因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)夠智能(neng)感應重心變(bian)(bian)化、智能(neng)調整姿態(tai)(tai)和運行(xing)狀態(tai)(tai)。

平(ping)衡(heng)(heng)車(che)利(li)用(yong)“動(dong)(dong)態平(ping)衡(heng)(heng)”原理，采用(yong)第(di)二代運動(dong)(dong)補償(chang)算法，利(li)用(yong)其內部的(de)陀螺儀和加速度(du)傳感器，來精確(que)檢測車(che)體姿態的(de)微小變化，并(bing)利(li)用(yong)精密的(de)伺(si)服控制系(xi)統，靈敏地驅(qu)動(dong)(dong)電機，進行相應的(de)調整，以(yi)保持整個(ge)車(che)體的(de)穩(wen)定和平(ping)衡(heng)(heng)。

當我們旋轉方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)時，運行系(xi)統會相應地控制左右兩邊(bian)的(de)速度(du)差，以(yi)此(ci)來實現(xian)車(che)體(ti)(ti)的(de)轉向(xiang)。因(yin)此(ci)在騎行過程(cheng)中，將(jiang)(jiang)(jiang)方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)指向(xiang)您需(xu)要(yao)前進的(de)方(fang)向(xiang)時，車(che)體(ti)(ti)將(jiang)(jiang)(jiang)會朝著我們指向(xiang)的(de)方(fang)向(xiang)行駛(shi)。當方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)處于車(che)體(ti)(ti)正中間位置(zhi)時，系(xi)統將(jiang)(jiang)(jiang)朝正前方(fang)行駛(shi)。并且在轉向(xiang)時，如果身體(ti)(ti)跟隨方(fang)向(xiang)操(cao)縱桿(gan)傾(qing)斜的(de)方(fang)向(xiang)傾(qing)斜，那(nei)么(me)我們將(jiang)(jiang)(jiang)會獲得更好的(de)轉向(xiang)體(ti)(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。