【平(ping)衡(heng)車的(de)原(yuan)理(li)(li)】自平(ping)衡(heng)單輪(lun)電動平(ping)衡(heng)車原(yuan)理(li)(li) 電動平(ping)衡(heng)車不(bu)倒(dao)的(de)原(yuan)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(nian)奧運會(hui)。當時，場館里的警衛人員都會(hui)騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當時平(ping)衡(heng)車這個新(xin)寵兒被附上(shang)“軍用(yong)”與“進口”雙重光環，讓許(xu)多人(ren)對這個新(xin)事物望而(er)止步(bu)，以至于平(ping)衡(heng)車這類(lei)產品總(zong)是蒙(meng)上(shang)了一層神秘感。今天(tian)，小編就和大家一起來探尋(xun)平(ping)衡(heng)車背后(hou)的科學原理，平(ping)衡(heng)車愛好者們(men)(men)你們(men)(men)準(zhun)備好了么？

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(lun)子把側翻力矩變(bian)成使自(zi)行車轉向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在(zai)此基礎上，自平衡電(dian)動獨(du)輪車(che)加(jia)以改進，靠(kao)電(dian)機驅動的，采(cai)用陀螺儀(yi)與驅動電(dian)路控制保持不(bu)倒。把身(shen)體向(xiang)前(qian)傾斜就可(ke)以啟動。速度(du)則(ze)是(shi)由身(shen)體的傾斜程度(du)來控制的，想(xiang)要加(jia)速則(ze)向(xiang)前(qian)傾，減速則(ze)向(xiang)后傾。

拋(pao)開人的主動操控，獨(du)輪平衡車(che)保證正常工(gong)作一定離不開加速度(du)傳(chuan)感(gan)器和角速度(du)傳(chuan)感(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(zhou)向(xiang)上的加速(su)度(du)信號，車直立(li)時，固(gu)定加速(su)度(du)器(qi)在X軸水平方向，此時輸出信號(hao)為(wei)零偏(pian)電壓信號(hao)。當(dang)車發生傾斜時，重力加(jia)速度g便會在X軸(zhou)方向形成加(jia)速(su)度分(fen)量，從(cong)而引起該軸(zhou)輸出(chu)信號(hao)的變(bian)化(hua)。

但在實際車運(yun)行(xing)過程中，由于平衡車本身的(de)運(yun)動(dong)所(suo)產生(sheng)的(de)加速(su)度(du)會產生(sheng)很大的(de)干擾(rao)信(xin)號(hao)疊加在上述測(ce)量信(xin)號(hao)上，使得(de)輸出(chu)信(xin)號(hao)無(wu)法準確反(fan)映真正的(de)傾角(jiao)。因此對于直立控制所(suo)需要的(de)姿態(tai)信(xin)息不能完全由加速(su)度(du)傳感器來獲得(de)。

角速度傳感器：

陀螺(luo)儀可(ke)(ke)以(yi)用來測(ce)量物體(ti)的(de)旋轉角速(su)(su)度(du)。平衡車上(shang)安裝陀螺(luo)儀，可(ke)(ke)以(yi)測(ce)量車傾(qing)斜的(de)角速(su)(su)度(du)，將角速(su)(su)度(du)信(xin)號進行積分(fen)處理(li)便(bian)可(ke)(ke)以(yi)得到車的(de)傾(qing)角。

談(tan)到平衡我們(men)就(jiu)不得不說到陀螺(luo)(luo)儀，陀螺(luo)(luo)儀的(de)(de)(de)原理(li)就(jiu)是(shi)，一個(ge)旋轉物體(ti)的(de)(de)(de)旋轉軸所指的(de)(de)(de)方(fang)向在不受(shou)外(wai)力影(ying)響時，是(shi)不會改變的(de)(de)(de)。人們(men)根據這(zhe)個(ge)道理(li)，用它(ta)來保持方(fang)向，制造出來的(de)(de)(de)東西就(jiu)叫陀螺(luo)(luo)儀。我們(men)騎自(zi)行車(che)其實也(ye)是(shi)利用了這(zhe)個(ge)原理(li)。

輪子轉(zhuan)得越(yue)快(kuai)越(yue)不容易倒，因(yin)為車軸有一股保持水(shui)平的(de)力(li)(li)量(liang)。陀(tuo)螺儀在工作(zuo)(zuo)時要給(gei)它一個(ge)力(li)(li)，使它快(kuai)速旋轉(zhuan)起來，一般能達到每分(fen)鐘幾十萬轉(zhuan)，可以工作(zuo)(zuo)很(hen)長時間。然后用(yong)多(duo)種方(fang)法讀取軸所指示的(de)方(fang)向，并自(zi)動將(jiang)數(shu)據(ju)信號傳給(gei)控制系統。

加速度和角速度兩個傳感器(qi)都(dou)無法單獨獲(huo)得(de)動(dong)態(tai)情況(kuang)(kuang)下(xia)(xia)(xia)的(de)準確，穩定的(de)姿態(tai)，但(dan)是(shi)這兩種(zhong)(zhong)傳感器(qi)具(ju)有(you)互補性，即(ji)加速度傳感器(qi)，在靜態(tai)情況(kuang)(kuang)下(xia)(xia)(xia)使(shi)(shi)用效果會(hui)(hui)好(hao)一些，陀(tuo)螺(luo)儀(yi)在動(dong)態(tai)情況(kuang)(kuang)下(xia)(xia)(xia)使(shi)(shi)用，效果會(hui)(hui)好(hao)一些。此時，就需要一種(zhong)(zhong)算法，來將(jiang)這兩種(zhong)(zhong)信號進行(xing)有(you)效融合，才能獲(huo)取準確的(de)姿態(tai)信息。

所以電動獨輪平衡車主要(yao)通過控(kong)(kong)制器(qi)(qi)（智能芯片）、姿態(tai)傳(chuan)感器(qi)(qi)（陀螺(luo)儀(yi)）、執行(xing)器(qi)(qi)（電(dian)機(ji)）三部分來實現平衡。當駕駛者(zhe)傾斜身體時，姿態(tai)傳(chuan)感器(qi)(qi)輸(shu)出(chu)相(xiang)應姿態(tai)信(xin)息(xi)(xi)，控(kong)(kong)制器(qi)(qi)感知到這(zhe)個信(xin)息(xi)(xi)后，命令電(dian)機(ji)向相(xiang)應方向旋轉(zhuan)，姿態(tai)傳(chuan)感器(qi)(qi)按一定頻率不停地(di)(di)測量(liang)車(che)子姿態(tai)，并輸(shu)出(chu)姿態(tai)息(xi)(xi)到控(kong)(kong)制器(qi)(qi)，控(kong)(kong)制器(qi)(qi)不停地(di)(di)調整電(dian)機(ji)的轉(zhuan)動方向和轉(zhuan)速，這(zhe)樣就(jiu)保持了一個動態(tai)的平衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨輪(lun)平(ping)衡車(che)(che)相比，雙輪(lun)最大的(de)(de)(de)(de)區別便(bian)是(shi)(shi)多(duo)了一(yi)個(ge)輪(lun)子(zi)和操縱桿，但它與(yu)電動自(zi)行(xing)車(che)(che)和摩托車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)前(qian)后排(pai)列(lie)方式不(bu)同，而是(shi)(shi)采用兩(liang)輪(lun)并排(pai)固定的(de)(de)(de)(de)方式，就(jiu)像一(yi)種(zhong)兩(liang)輪(lun)平(ping)行(xing)的(de)(de)(de)(de)機器人一(yi)樣(yang)。兩(liang)輪(lun)自(zi)平(ping)衡控(kong)制(zhi)系統(tong)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)兩(liang)輪(lun)左右(you)平(ping)行(xing)布置的(de)(de)(de)(de)，像傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)倒立擺一(yi)樣(yang)，本身是(shi)(shi)一(yi)個(ge)自(zi)然不(bu)穩(wen)定體(ti)，必須施加強有力(li)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)手段才能使之穩(wen)定。因為(wei)兩(liang)輪(lun)平(ping)衡車(che)(che)具有運動靈活、智能控(kong)制(zhi)、操作簡(jian)單、節省能源、綠色(se)環保、轉彎(wan)半徑(jing)為(wei)零等優點(dian)，所以它適用于在狹小空(kong)間內運行(xing)。

雙輪(lun)平衡(heng)車(che)的工作原理，非常(chang)類(lei)似于我們(men)(men)(men)人體自身的平衡(heng)系統。就(jiu)我們(men)(men)(men)的人體而(er)言，當身體重心前(qian)(qian)傾時，為了保(bao)證平衡(heng)，我們(men)(men)(men)需要往前(qian)(qian)走(zou)；而(er)當重心后傾時，我們(men)(men)(men)需要往后走(zou)，其中也是同樣(yang)的道(dao)理。

當我(wo)們(men)在(zai)駕駛(shi)平(ping)衡(heng)(heng)車的(de)(de)時候(hou)，平(ping)衡(heng)(heng)車的(de)(de)兩個輪子(zi)就代替了雙腳(jiao)。與身體的(de)(de)平(ping)衡(heng)(heng)系統非(fei)常類似，當我(wo)們(men)的(de)(de)重心(xin)前傾時，智能系統就會自動(dong)(dong)感應(ying)到(dao)，并精確地驅動(dong)(dong)輪子(zi)向(xiang)前運動(dong)(dong)，以(yi)保持平(ping)衡(heng)(heng)；同(tong)樣地，當我(wo)們(men)身體的(de)(de)重心(xin)后傾時，輪子(zi)就會向(xiang)后運動(dong)(dong)。

這套(tao)工作原理被稱為“動(dong)態(tai)(tai)(tai)平(ping)衡”原理，這也是(shi)平(ping)衡車(che)(che)被叫做“平(ping)衡車(che)(che)”的原因(yin)(yin)；有時也被叫做“體(ti)感車(che)(che)”，這是(shi)因(yin)(yin)為它能(neng)感應(ying)身體(ti)重心的變(bian)(bian)化，因(yin)(yin)駕駛者姿態(tai)(tai)(tai)的變(bian)(bian)化而改變(bian)(bian)行駛狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)；有時也被叫做“思維(wei)車(che)(che)”，這是(shi)因(yin)(yin)為它能(neng)夠智(zhi)能(neng)感應(ying)重心變(bian)(bian)化、智(zhi)能(neng)調整姿態(tai)(tai)(tai)和運行狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)。

平(ping)衡(heng)(heng)(heng)車(che)利(li)用“動(dong)態平(ping)衡(heng)(heng)(heng)”原(yuan)理(li)，采用第(di)二(er)代運動(dong)補償算法，利(li)用其內部(bu)的(de)陀(tuo)螺儀和加速(su)度(du)傳感(gan)器，來(lai)精(jing)確(que)檢測車(che)體(ti)姿態的(de)微小(xiao)變化，并利(li)用精(jing)密的(de)伺服控制(zhi)系統，靈敏地驅動(dong)電機，進行相應(ying)的(de)調(diao)整，以保持整個(ge)車(che)體(ti)的(de)穩定和平(ping)衡(heng)(heng)(heng)。

當我(wo)們(men)(men)旋轉(zhuan)(zhuan)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)時(shi)，運行(xing)系統會(hui)相應地控制左(zuo)右兩邊的(de)(de)速度差，以此(ci)(ci)來實現車(che)(che)體(ti)(ti)的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。因(yin)此(ci)(ci)在騎(qi)行(xing)過程(cheng)中，將方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)指(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)您需要前(qian)進(jin)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，車(che)(che)體(ti)(ti)將會(hui)朝(chao)著(zhu)我(wo)們(men)(men)指(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)處(chu)于車(che)(che)體(ti)(ti)正中間(jian)位置(zhi)時(shi)，系統將朝(chao)正前(qian)方(fang)行(xing)駛。并且在轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)時(shi)，如果身(shen)體(ti)(ti)跟隨方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操縱(zong)(zong)桿(gan)傾斜的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)傾斜，那么我(wo)們(men)(men)將會(hui)獲(huo)得更好的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(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。