【平(ping)衡車(che)的(de)原(yuan)理(li)】自平(ping)衡單輪電(dian)動(dong)平(ping)衡車(che)原(yuan)理(li) 電(dian)動(dong)平(ping)衡車(che)不倒(dao)的(de)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年奧運會。當時，場館(guan)里的警衛人員(yuan)都會騎著(zhu)電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是(shi)當時平(ping)衡(heng)車這個新寵兒被附(fu)上(shang)“軍用”與“進口(kou)”雙(shuang)重光環，讓(rang)許多(duo)人(ren)對這個新事物望而止(zhi)步，以(yi)至(zhi)于(yu)平(ping)衡(heng)車這類產品(pin)總是(shi)蒙上(shang)了一層神秘感。今天，小(xiao)編就和大家一起來探尋平(ping)衡(heng)車背(bei)后的科學(xue)原理，平(ping)衡(heng)車愛好者們你(ni)們準備好了么(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(du)。在這里就(jiu)是輪子把側翻力(li)矩變成使自(zi)行(xing)車轉向的力(li)矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自平衡電(dian)動獨(du)輪車加(jia)以(yi)改(gai)進，靠電(dian)機(ji)驅(qu)(qu)動的，采用(yong)陀螺儀與驅(qu)(qu)動電(dian)路控(kong)(kong)制(zhi)保持(chi)不倒。把身體向前(qian)傾斜就可以(yi)啟動。速(su)度則是(shi)由身體的傾斜程度來控(kong)(kong)制(zhi)的，想要加(jia)速(su)則向前(qian)傾，減速(su)則向后(hou)傾。

拋開人(ren)的主動操控(kong)，獨輪平衡車(che)保證正常工作一定離不開加速(su)度傳感器和角速(su)度傳感器（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軸向上的加速度信號，車(che)直立時(shi)，固定加速度器在(zai)X軸水平(ping)方向，此時(shi)輸出(chu)信號為零偏(pian)電(dian)壓(ya)信號。當(dang)車發(fa)生(sheng)傾斜時(shi)，重力加速度(du)g便會在X軸(zhou)方(fang)向形成加速(su)度分量，從而引(yin)起該(gai)軸(zhou)輸出信(xin)號的變(bian)化。

但在(zai)實(shi)際車運(yun)行過程中(zhong)，由于(yu)平衡車本身(shen)的(de)(de)運(yun)動所(suo)產(chan)生的(de)(de)加速度會產(chan)生很大的(de)(de)干(gan)擾信(xin)號(hao)疊加在(zai)上(shang)述(shu)測量信(xin)號(hao)上(shang)，使得輸出信(xin)號(hao)無法(fa)準確反映真正的(de)(de)傾角。因此對(dui)于(yu)直立控(kong)制所(suo)需要的(de)(de)姿(zi)態信(xin)息(xi)不能(neng)完(wan)全由加速度傳(chuan)感器來獲(huo)得。

角速度傳感器：

陀(tuo)螺儀可(ke)以用來(lai)測量物體(ti)的(de)旋轉(zhuan)角速度。平衡車上安裝陀(tuo)螺儀，可(ke)以測量車傾斜的(de)角速度，將角速度信號進行積分處理便可(ke)以得到車的(de)傾角。

談到平衡(heng)我(wo)們就(jiu)不(bu)(bu)得不(bu)(bu)說到陀(tuo)螺儀，陀(tuo)螺儀的(de)(de)原理就(jiu)是(shi)，一個旋轉(zhuan)物(wu)體(ti)的(de)(de)旋轉(zhuan)軸(zhou)所指的(de)(de)方(fang)向在不(bu)(bu)受外力影響時，是(shi)不(bu)(bu)會(hui)改變的(de)(de)。人(ren)們根據這個道理，用它來保持方(fang)向，制造出來的(de)(de)東西就(jiu)叫陀(tuo)螺儀。我(wo)們騎自(zi)行車其實也是(shi)利用了這個原理。

輪子轉得越(yue)快越(yue)不容易倒，因為車軸有一股保持(chi)水平的力量。陀螺儀在(zai)工作(zuo)時要給它(ta)(ta)一個力，使它(ta)(ta)快速旋(xuan)轉起來(lai)，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作(zuo)很長時間(jian)。然(ran)后用多種方(fang)法讀取軸所指示的方(fang)向，并自動(dong)將數據信號傳給控制系統(tong)。

加速度和角(jiao)速度兩個(ge)傳(chuan)感(gan)器都無法單獨獲(huo)得動態(tai)(tai)情(qing)(qing)況(kuang)下的(de)準確(que)，穩(wen)定的(de)姿態(tai)(tai)，但是這兩種傳(chuan)感(gan)器具有互補性，即加速度傳(chuan)感(gan)器，在(zai)靜態(tai)(tai)情(qing)(qing)況(kuang)下使用效果(guo)會好一些(xie)，陀螺儀在(zai)動態(tai)(tai)情(qing)(qing)況(kuang)下使用，效果(guo)會好一些(xie)。此時，就需要一種算法，來將(jiang)這兩種信號進行有效融合，才能(neng)獲(huo)取準確(que)的(de)姿態(tai)(tai)信息。

所以電動獨輪平衡車主要通過控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)（智能芯(xin)片）、姿(zi)態(tai)(tai)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)（陀螺(luo)儀）、執行(xing)器(qi)(qi)(qi)（電機(ji)）三(san)部分來實現平衡。當駕駛(shi)者傾斜身(shen)體時(shi)，姿(zi)態(tai)(tai)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)輸出(chu)相(xiang)(xiang)應(ying)姿(zi)態(tai)(tai)信(xin)息(xi)，控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)感知到這個信(xin)息(xi)后，命令電機(ji)向相(xiang)(xiang)應(ying)方向旋轉(zhuan)，姿(zi)態(tai)(tai)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)按一定頻率(lv)不(bu)停(ting)地測量車子姿(zi)態(tai)(tai)，并輸出(chu)姿(zi)態(tai)(tai)息(xi)到控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)，控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)不(bu)停(ting)地調整電機(ji)的轉(zhuan)動方向和轉(zhuan)速，這樣就保持了一個動態(tai)(tai)的平衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨輪(lun)(lun)(lun)平(ping)衡車(che)相(xiang)比，雙輪(lun)(lun)(lun)最大(da)的區別便是多了一(yi)(yi)個(ge)輪(lun)(lun)(lun)子(zi)和(he)操縱桿，但它與(yu)電動自(zi)行車(che)和(he)摩托車(che)車(che)輪(lun)(lun)(lun)前后(hou)排列方(fang)式(shi)不(bu)同，而(er)是采用兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)并排固定(ding)(ding)的方(fang)式(shi)，就(jiu)像一(yi)(yi)種兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)平(ping)行的機器人(ren)一(yi)(yi)樣。兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)平(ping)衡控制(zhi)系(xi)統是一(yi)(yi)種兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)左右平(ping)行布置的，像傳統的倒立擺(bai)一(yi)(yi)樣，本身是一(yi)(yi)個(ge)自(zi)然不(bu)穩定(ding)(ding)體，必須施(shi)加強有(you)力的控制(zhi)手段才能(neng)使之穩定(ding)(ding)。因為兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)平(ping)衡車(che)具(ju)有(you)運(yun)動靈(ling)活、智(zhi)能(neng)控制(zhi)、操作簡(jian)單、節省能(neng)源(yuan)、綠色(se)環保(bao)、轉(zhuan)彎(wan)半徑(jing)為零(ling)等優點，所以它適用于在狹小空間內運(yun)行。

雙輪平(ping)衡車的(de)(de)工作原理，非常類似于我們人體自身的(de)(de)平(ping)衡系統。就(jiu)我們的(de)(de)人體而(er)言，當(dang)身體重心前(qian)傾(qing)(qing)時，為了保證(zheng)平(ping)衡，我們需要(yao)往前(qian)走(zou)；而(er)當(dang)重心后傾(qing)(qing)時，我們需要(yao)往后走(zou)，其中(zhong)也是同樣的(de)(de)道理。

當(dang)我們(men)在駕駛平衡車的(de)(de)(de)時(shi)候，平衡車的(de)(de)(de)兩個輪(lun)子就代替了雙腳。與身(shen)體的(de)(de)(de)平衡系統非常類似，當(dang)我們(men)的(de)(de)(de)重心(xin)前傾時(shi)，智能系統就會(hui)(hui)自動感應到(dao)，并精確(que)地(di)驅動輪(lun)子向前運動，以保持平衡；同樣地(di)，當(dang)我們(men)身(shen)體的(de)(de)(de)重心(xin)后傾時(shi)，輪(lun)子就會(hui)(hui)向后運動。

這套工作原(yuan)理被稱為“動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)”原(yuan)理，這也是平(ping)衡(heng)車(che)被叫做(zuo)(zuo)“平(ping)衡(heng)車(che)”的(de)原(yuan)因(yin)；有時(shi)也被叫做(zuo)(zuo)“體感車(che)”，這是因(yin)為它能感應身體重心(xin)的(de)變化(hua)，因(yin)駕駛者姿態(tai)的(de)變化(hua)而改變行駛狀態(tai)；有時(shi)也被叫做(zuo)(zuo)“思(si)維車(che)”，這是因(yin)為它能夠智能感應重心(xin)變化(hua)、智能調整姿態(tai)和運行狀態(tai)。

平衡車利(li)用(yong)“動態平衡”原理，采用(yong)第二代運(yun)動補償(chang)算法，利(li)用(yong)其內部的(de)(de)陀螺儀和加速度傳感(gan)器，來精確檢測車體姿態的(de)(de)微小變化(hua)，并(bing)利(li)用(yong)精密的(de)(de)伺服(fu)控(kong)制系統，靈敏地驅動電機，進行(xing)相應的(de)(de)調(diao)整，以保(bao)持整個車體的(de)(de)穩定和平衡。

當(dang)我(wo)(wo)們(men)旋轉方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)時，運行系統(tong)會(hui)相(xiang)應地控制左(zuo)右兩邊的(de)速度差，以此(ci)來實現(xian)車體(ti)(ti)的(de)轉向(xiang)(xiang)。因此(ci)在騎行過程中，將方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)指(zhi)向(xiang)(xiang)您需要前(qian)(qian)進的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)時，車體(ti)(ti)將會(hui)朝著我(wo)(wo)們(men)指(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)行駛。當(dang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)處于(yu)車體(ti)(ti)正中間(jian)位置(zhi)時，系統(tong)將朝正前(qian)(qian)方(fang)(fang)行駛。并(bing)且在轉向(xiang)(xiang)時，如果身(shen)體(ti)(ti)跟隨方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)傾斜的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)傾斜，那么我(wo)(wo)們(men)將會(hui)獲得更好的(de)轉向(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。