【平(ping)衡車的原(yuan)理】自(zi)平(ping)衡單輪(lun)電(dian)(dian)動(dong)平(ping)衡車原(yuan)理 電(dian)(dian)動(dong)平(ping)衡車不倒(dao)的原(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年奧運(yun)會。當時，場(chang)館里(li)的(de)警(jing)衛人員(yuan)都會騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。
但(dan)是當時平(ping)(ping)衡車這(zhe)個新寵兒被附上“軍用”與“進口(kou)”雙重光環，讓(rang)許多(duo)人對這(zhe)個新事物望而止步(bu)，以至于(yu)平(ping)(ping)衡車這(zhe)類產品總是蒙(meng)上了(le)一(yi)層神秘感(gan)。今天，小編就和大家一(yi)起來(lai)探尋平(ping)(ping)衡車背(bei)后(hou)的(de)科學原理，平(ping)(ping)衡車愛好者(zhe)們你們準(zhun)備好了(le)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(zai)這里就是輪子把側翻(fan)力矩(ju)變成使自行(xing)車轉向的力矩(ju)。
利用電機來加強改進平衡：
在此基礎上(shang)，自平(ping)衡電動(dong)獨輪車加以改進(jin)，靠電機驅動(dong)的，采用陀螺(luo)儀與(yu)驅動(dong)電路控(kong)制(zhi)保(bao)持不倒。把身(shen)體向前傾斜就可以啟動(dong)。速(su)(su)度則(ze)是(shi)由身(shen)體的傾斜程度來(lai)控(kong)制(zhi)的，想(xiang)要加速(su)(su)則(ze)向前傾，減速(su)(su)則(ze)向后傾。
拋開(kai)人的主(zhu)動操控，獨(du)輪(lun)平衡車(che)保證正常(chang)工作一定離不開(kai)加速度(du)傳感(gan)器和角速度(du)傳感(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軸向上的加速度信號，車直(zhi)立時(shi)，固(gu)定加速度器在X軸(zhou)水平方向，此(ci)時輸出信號(hao)為(wei)零偏(pian)電壓信號(hao)。當車發(fa)生傾斜時，重(zhong)力加速度g便會在X軸(zhou)方向(xiang)形(xing)成加速度分量(liang)，從而引(yin)起該(gai)軸(zhou)輸出信號的變(bian)化。
但在實際車(che)運(yun)行過(guo)程中，由于平(ping)衡(heng)車(che)本(ben)身的運(yun)動所產(chan)生的加速(su)度會(hui)產(chan)生很大的干(gan)擾信號(hao)疊(die)加在上述(shu)測量信號(hao)上，使得輸出信號(hao)無(wu)法(fa)準確反映真正的傾角。因此(ci)對于直立控制所需要的姿(zi)態(tai)信息(xi)不能完(wan)全由加速(su)度傳感器來(lai)獲得。
角速度傳感器：
陀(tuo)螺儀可以(yi)用來測(ce)量(liang)(liang)物體的旋轉角速度。平衡車上安裝陀(tuo)螺儀，可以(yi)測(ce)量(liang)(liang)車傾斜的角速度，將角速度信號進行積(ji)分處理便可以(yi)得到車的傾角。
談(tan)到平衡我(wo)們就(jiu)不(bu)得不(bu)說到陀(tuo)螺儀，陀(tuo)螺儀的(de)原(yuan)理就(jiu)是(shi)(shi)，一(yi)個旋(xuan)轉(zhuan)物體(ti)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)軸(zhou)所(suo)指的(de)方向在不(bu)受(shou)外(wai)力影響時(shi)，是(shi)(shi)不(bu)會改(gai)變的(de)。人們根(gen)據這個道理，用它來保持(chi)方向，制造出(chu)來的(de)東西就(jiu)叫陀(tuo)螺儀。我(wo)們騎自(zi)行(xing)車其(qi)實也是(shi)(shi)利用了這個原(yuan)理。
輪子轉得越快(kuai)越不容易倒，因為(wei)車軸有一(yi)股保持水平的(de)力量。陀螺(luo)儀在工作(zuo)時(shi)要(yao)給(gei)它一(yi)個(ge)力，使它快(kuai)速旋轉起來，一(yi)般(ban)能(neng)達到每分鐘幾十(shi)萬轉，可(ke)以工作(zuo)很長(chang)時(shi)間。然后用多種方法(fa)讀取軸所(suo)指示的(de)方向(xiang)，并自動將數據信號傳給(gei)控制(zhi)系統。
加速度和角速度兩個傳感器都無法單獨獲得動態情(qing)況下(xia)(xia)的準確，穩定(ding)的姿態，但是(shi)這兩種(zhong)傳感器具有互補性，即加速度傳感器，在靜態情(qing)況下(xia)(xia)使用(yong)(yong)效(xiao)(xiao)(xiao)果會好(hao)一(yi)些(xie)，陀螺儀在動態情(qing)況下(xia)(xia)使用(yong)(yong)，效(xiao)(xiao)(xiao)果會好(hao)一(yi)些(xie)。此時，就需要一(yi)種(zhong)算法，來(lai)將這兩種(zhong)信(xin)號(hao)進行有效(xiao)(xiao)(xiao)融(rong)合，才(cai)能獲取(qu)準確的姿態信(xin)息。
所以電動獨輪平衡車主要通過控(kong)制器(qi)(qi)（智能芯片）、姿(zi)態(tai)傳感器(qi)(qi)（陀(tuo)螺儀）、執行器(qi)(qi)（電機(ji)）三(san)部(bu)分來實(shi)現(xian)平衡。當駕(jia)駛者傾斜身(shen)體時，姿(zi)態(tai)傳感器(qi)(qi)輸出相應(ying)姿(zi)態(tai)信息(xi)，控(kong)制器(qi)(qi)感知到(dao)這個(ge)(ge)信息(xi)后，命令(ling)電機(ji)向(xiang)相應(ying)方向(xiang)旋轉(zhuan)，姿(zi)態(tai)傳感器(qi)(qi)按一(yi)定頻率不停地測(ce)量車子姿(zi)態(tai)，并輸出姿(zi)態(tai)息(xi)到(dao)控(kong)制器(qi)(qi)，控(kong)制器(qi)(qi)不停地調整(zheng)電機(ji)的轉(zhuan)動方向(xiang)和轉(zhuan)速，這樣就保持了一(yi)個(ge)(ge)動態(tai)的平衡。
雙輪平衡車的工作原理
與獨(du)輪(lun)(lun)(lun)(lun)平(ping)衡車相(xiang)比(bi)，雙輪(lun)(lun)(lun)(lun)最大的(de)(de)(de)區別便是(shi)多(duo)了一個輪(lun)(lun)(lun)(lun)子和(he)操縱桿，但它與電動(dong)自行(xing)車和(he)摩托(tuo)車車輪(lun)(lun)(lun)(lun)前后排列方式不同，而是(shi)采用兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)(lun)并排固定(ding)的(de)(de)(de)方式，就像(xiang)一種(zhong)兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)(lun)平(ping)行(xing)的(de)(de)(de)機器(qi)人一樣。兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)(lun)自平(ping)衡控制(zhi)系統是(shi)一種(zhong)兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)(lun)左右平(ping)行(xing)布置的(de)(de)(de)，像(xiang)傳統的(de)(de)(de)倒立擺一樣，本身是(shi)一個自然(ran)不穩定(ding)體，必(bi)須(xu)施加強有力的(de)(de)(de)控制(zhi)手段才能使之穩定(ding)。因為(wei)兩(liang)輪(lun)(lun)(lun)(lun)平(ping)衡車具(ju)有運動(dong)靈活、智能控制(zhi)、操作簡單、節省能源、綠色環保、轉彎半徑為(wei)零等優點，所(suo)以它適(shi)用于在狹小(xiao)空間(jian)內運行(xing)。
雙輪(lun)平(ping)衡車的(de)工作原理，非常(chang)類似(si)于(yu)我(wo)們人(ren)體(ti)自身的(de)平(ping)衡系統(tong)。就(jiu)我(wo)們的(de)人(ren)體(ti)而(er)言(yan)，當(dang)身體(ti)重心(xin)前傾時，為了保證平(ping)衡，我(wo)們需(xu)要(yao)往前走；而(er)當(dang)重心(xin)后傾時，我(wo)們需(xu)要(yao)往后走，其中也是(shi)同(tong)樣(yang)的(de)道理。
當我們在駕駛平衡車的(de)時候，平衡車的(de)兩個輪(lun)子(zi)就(jiu)代替了雙腳。與身體(ti)的(de)平衡系統非(fei)常類似(si)，當我們的(de)重心前(qian)傾(qing)時，智能系統就(jiu)會(hui)自動(dong)(dong)感應到，并精確地驅動(dong)(dong)輪(lun)子(zi)向前(qian)運(yun)動(dong)(dong)，以保(bao)持平衡；同樣地，當我們身體(ti)的(de)重心后傾(qing)時，輪(lun)子(zi)就(jiu)會(hui)向后運(yun)動(dong)(dong)。
這套(tao)工(gong)作原理被(bei)稱為“動(dong)態平衡(heng)”原理，這也是平衡(heng)車(che)被(bei)叫做“平衡(heng)車(che)”的(de)(de)原因(yin)(yin)；有時(shi)也被(bei)叫做“體感(gan)(gan)車(che)”，這是因(yin)(yin)為它(ta)能(neng)感(gan)(gan)應身體重心的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，因(yin)(yin)駕駛(shi)者姿態的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)而改變(bian)行(xing)駛(shi)狀(zhuang)態；有時(shi)也被(bei)叫做“思維車(che)”，這是因(yin)(yin)為它(ta)能(neng)夠智(zhi)能(neng)感(gan)(gan)應重心變(bian)化(hua)(hua)、智(zhi)能(neng)調(diao)整姿態和(he)運行(xing)狀(zhuang)態。
平(ping)衡(heng)車(che)利用(yong)(yong)“動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)”原理，采用(yong)(yong)第二代運動(dong)補償(chang)算法(fa)，利用(yong)(yong)其內部的(de)陀螺儀和加速度傳感器(qi)，來精確檢測車(che)體姿態(tai)的(de)微小變化，并利用(yong)(yong)精密的(de)伺服控制系統，靈敏地(di)驅動(dong)電機，進行相應的(de)調(diao)整(zheng)，以保持整(zheng)個車(che)體的(de)穩定和平(ping)衡(heng)。
當(dang)我(wo)們旋轉(zhuan)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)(gan)時，運行(xing)系統會(hui)(hui)相應地控制左右(you)兩邊(bian)的(de)速度差，以此(ci)來實現車(che)體(ti)(ti)的(de)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)。因此(ci)在騎行(xing)過程中，將(jiang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)(gan)指向(xiang)(xiang)(xiang)您(nin)需要前進(jin)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)時，車(che)體(ti)(ti)將(jiang)會(hui)(hui)朝(chao)著我(wo)們指向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當(dang)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)(gan)處于車(che)體(ti)(ti)正(zheng)中間(jian)位置(zhi)時，系統將(jiang)朝(chao)正(zheng)前方(fang)(fang)行(xing)駛。并且在轉(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)時，如果身體(ti)(ti)跟隨方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)(gan)傾斜(xie)的(de)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)傾斜(xie)，那么我(wo)們將(jiang)會(hui)(hui)獲得更好的(de)轉(zhuan)向(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。
