【平衡車的原(yuan)理(li)】自平衡單輪電(dian)動平衡車原(yuan)理(li) 電(dian)動平衡車不倒的原(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(shi)，場館里的警衛(wei)人員(yuan)都會騎(qi)著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當時平衡(heng)車(che)這個新寵兒被附上“軍用”與“進(jin)口”雙重光環，讓許多人對這個新事(shi)物望而止(zhi)步，以至于平衡(heng)車(che)這類產品總是蒙上了(le)一層神秘(mi)感(gan)。今天，小編就和大家一起來探尋平衡(heng)車(che)背(bei)后的科學原理，平衡(heng)車(che)愛好者(zhe)們你們準備好了(le)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。在這里就是輪子(zi)把側翻力矩(ju)變成使自行車轉向的(de)力矩(ju)。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自(zi)平(ping)衡(heng)電動(dong)獨輪車加以(yi)改進，靠電機驅動(dong)的，采用陀螺(luo)儀(yi)與驅動(dong)電路控(kong)制(zhi)保持不倒。把身體向(xiang)前傾斜(xie)就可以(yi)啟動(dong)。速(su)度則(ze)是由身體的傾斜(xie)程度來控(kong)制(zhi)的，想要加速(su)則(ze)向(xiang)前傾，減速(su)則(ze)向(xiang)后傾。

拋開(kai)人的(de)主動(dong)操控，獨(du)輪平(ping)衡車保證正常工作一定離不開(kai)加速度(du)傳感器和角速度(du)傳感器（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)向上(shang)的加(jia)速度信號，車直立時，固定加(jia)速度器在X軸水平方向，此時輸出(chu)信(xin)號(hao)為零偏(pian)電(dian)壓信(xin)號(hao)。當(dang)車發生傾斜時，重力加(jia)速度g便會(hui)在X軸方(fang)向形成加(jia)速度分量，從(cong)而引起(qi)該軸輸出信號的變化。

但在(zai)實際車運行過程中，由于平(ping)衡(heng)車本(ben)身的運動所產(chan)生的加速度會產(chan)生很(hen)大(da)的干擾信(xin)號疊加在(zai)上述測量信(xin)號上，使得(de)輸出信(xin)號無法準確反映真正的傾角。因此(ci)對于直立控(kong)制所需要的姿態信(xin)息(xi)不能完全由加速度傳感器來(lai)獲(huo)得(de)。

角速度傳感器：

陀螺儀可以用來(lai)測量物體(ti)的(de)旋轉角(jiao)(jiao)速(su)度(du)。平衡車(che)上安裝陀螺儀，可以測量車(che)傾(qing)斜的(de)角(jiao)(jiao)速(su)度(du)，將角(jiao)(jiao)速(su)度(du)信號(hao)進行積分處理(li)便可以得(de)到(dao)車(che)的(de)傾(qing)角(jiao)(jiao)。

談到(dao)平(ping)衡我們(men)就不(bu)得不(bu)說到(dao)陀螺(luo)儀，陀螺(luo)儀的(de)原理就是，一(yi)個旋轉物體的(de)旋轉軸所(suo)指的(de)方向(xiang)在不(bu)受外(wai)力影響時，是不(bu)會改變的(de)。人們(men)根據這個道(dao)理，用它(ta)來(lai)保持方向(xiang)，制造出來(lai)的(de)東(dong)西就叫陀螺(luo)儀。我們(men)騎自行(xing)車其實也(ye)是利用了這個原理。

輪子轉得越(yue)快越(yue)不(bu)容(rong)易倒，因為車軸(zhou)有一(yi)股保持(chi)水平的力量。陀(tuo)螺儀在(zai)工作時(shi)要(yao)給它一(yi)個力，使它快速旋轉起(qi)來，一(yi)般能達到(dao)每分鐘幾十萬(wan)轉，可以(yi)工作很長時(shi)間。然后用多(duo)種(zhong)方(fang)法讀取軸(zhou)所指示的方(fang)向(xiang)，并自動(dong)將數據信號傳(chuan)給控制系統。

加速(su)度(du)和角速(su)度(du)兩(liang)(liang)個(ge)傳(chuan)感器都無法單獨獲得動態情(qing)況下(xia)的準(zhun)確(que)，穩(wen)定的姿態，但是這(zhe)兩(liang)(liang)種(zhong)傳(chuan)感器具(ju)有(you)互補性，即加速(su)度(du)傳(chuan)感器，在靜(jing)態情(qing)況下(xia)使用(yong)效果(guo)(guo)會好一些，陀螺儀在動態情(qing)況下(xia)使用(yong)，效果(guo)(guo)會好一些。此時(shi)，就需要一種(zhong)算法，來(lai)將這(zhe)兩(liang)(liang)種(zhong)信(xin)號進行(xing)有(you)效融合，才能獲取準(zhun)確(que)的姿態信(xin)息。

所以電動獨輪平衡車主要通過控制器（智能芯(xin)片）、姿(zi)(zi)態(tai)傳感(gan)器（陀螺儀）、執行器（電機(ji)）三(san)部分來實現平衡。當駕駛者傾斜身體時(shi)，姿(zi)(zi)態(tai)傳感(gan)器輸(shu)出相應姿(zi)(zi)態(tai)信息(xi)，控制器感(gan)知到(dao)這個(ge)信息(xi)后(hou)，命令(ling)電機(ji)向(xiang)相應方向(xiang)旋轉，姿(zi)(zi)態(tai)傳感(gan)器按一定頻率不(bu)停地測量車子姿(zi)(zi)態(tai)，并(bing)輸(shu)出姿(zi)(zi)態(tai)息(xi)到(dao)控制器，控制器不(bu)停地調整電機(ji)的轉動方向(xiang)和轉速(su)，這樣就保持了一個(ge)動態(tai)的平衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨輪(lun)平(ping)(ping)(ping)衡車(che)(che)相比(bi)，雙輪(lun)最大的(de)區別便是多了一個(ge)輪(lun)子和操縱(zong)桿，但它與(yu)電動(dong)自行車(che)(che)和摩(mo)托車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)前(qian)后排列(lie)方式不同，而(er)是采用兩(liang)輪(lun)并(bing)排固定的(de)方式，就(jiu)像一種(zhong)兩(liang)輪(lun)平(ping)(ping)(ping)行的(de)機器(qi)人一樣。兩(liang)輪(lun)自平(ping)(ping)(ping)衡控(kong)(kong)制系統是一種(zhong)兩(liang)輪(lun)左右平(ping)(ping)(ping)行布置(zhi)的(de)，像傳(chuan)統的(de)倒立擺一樣，本身(shen)是一個(ge)自然不穩(wen)定體(ti)，必(bi)須施加強有力的(de)控(kong)(kong)制手段(duan)才能使之穩(wen)定。因為兩(liang)輪(lun)平(ping)(ping)(ping)衡車(che)(che)具(ju)有運動(dong)靈活、智能控(kong)(kong)制、操作(zuo)簡(jian)單、節省能源、綠色環保、轉彎半徑為零等優點，所以它適用于在(zai)狹小空間(jian)內運行。

雙輪平衡車的工作原理(li)，非常類似(si)于我(wo)們人體(ti)(ti)自身的平衡系統。就我(wo)們的人體(ti)(ti)而(er)(er)言(yan)，當身體(ti)(ti)重心(xin)前傾時(shi)，為(wei)了保(bao)證(zheng)平衡，我(wo)們需(xu)要往(wang)前走；而(er)(er)當重心(xin)后傾時(shi)，我(wo)們需(xu)要往(wang)后走，其中也是同樣的道理(li)。

當(dang)我們在駕駛平衡車(che)的時(shi)候，平衡車(che)的兩(liang)個輪子就(jiu)代替了雙腳。與身體(ti)的平衡系(xi)統非常類似，當(dang)我們的重心(xin)前(qian)傾時(shi)，智能(neng)系(xi)統就(jiu)會自動(dong)感應到，并精確(que)地(di)驅動(dong)輪子向(xiang)前(qian)運動(dong)，以保持(chi)平衡；同樣地(di)，當(dang)我們身體(ti)的重心(xin)后傾時(shi)，輪子就(jiu)會向(xiang)后運動(dong)。

這(zhe)套(tao)工作(zuo)原理(li)被稱為(wei)“動態平衡”原理(li)，這(zhe)也是(shi)平衡車被叫做“平衡車”的(de)原因(yin)；有(you)時也被叫做“體感車”，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)它能(neng)感應(ying)身體重心的(de)變(bian)化(hua)(hua)，因(yin)駕駛者姿態的(de)變(bian)化(hua)(hua)而改變(bian)行(xing)駛狀(zhuang)態；有(you)時也被叫做“思維(wei)車”，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)它能(neng)夠(gou)智能(neng)感應(ying)重心變(bian)化(hua)(hua)、智能(neng)調整姿態和運行(xing)狀(zhuang)態。

平衡(heng)車利(li)用“動態(tai)平衡(heng)”原理，采用第(di)二代(dai)運動補償算法，利(li)用其內部的陀螺儀和加速度傳感器，來精確(que)檢測車體姿態(tai)的微(wei)小變化(hua)，并利(li)用精密的伺服控制系(xi)統，靈敏地驅動電機，進行相應的調整，以保(bao)持(chi)整個車體的穩(wen)定和平衡(heng)。

當(dang)我(wo)(wo)們旋轉(zhuan)方向(xiang)(xiang)操(cao)縱桿時(shi)，運行(xing)(xing)系(xi)統會相應地控制左右兩邊的(de)(de)(de)速度差，以此來實(shi)現車(che)體(ti)的(de)(de)(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)。因此在騎行(xing)(xing)過程中，將(jiang)方向(xiang)(xiang)操(cao)縱桿指向(xiang)(xiang)您需要(yao)前進的(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)時(shi)，車(che)體(ti)將(jiang)會朝著我(wo)(wo)們指向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)行(xing)(xing)駛。當(dang)方向(xiang)(xiang)操(cao)縱桿處于車(che)體(ti)正(zheng)中間位置時(shi)，系(xi)統將(jiang)朝正(zheng)前方行(xing)(xing)駛。并且(qie)在轉(zhuan)向(xiang)(xiang)時(shi)，如果身體(ti)跟(gen)隨方向(xiang)(xiang)操(cao)縱桿傾斜(xie)的(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)傾斜(xie)，那(nei)么我(wo)(wo)們將(jiang)會獲得更好的(de)(de)(de)轉(zhuan)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。