【平衡(heng)(heng)車(che)的原理】自平衡(heng)(heng)單輪電(dian)動(dong)平衡(heng)(heng)車(che)原理 電(dian)動(dong)平衡(heng)(heng)車(che)不倒的原理

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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(hui)。當時，場館(guan)里的警(jing)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)是當時(shi)平衡(heng)(heng)車這(zhe)(zhe)個(ge)新寵兒(er)被(bei)附(fu)上“軍用”與“進口”雙重光(guang)環，讓許多人對這(zhe)(zhe)個(ge)新事物望而止(zhi)步，以至于平衡(heng)(heng)車這(zhe)(zhe)類產品總是蒙(meng)上了一層神(shen)秘感。今天，小編(bian)就和大(da)家(jia)一起來探尋平衡(heng)(heng)車背后的科(ke)學原理(li)，平衡(heng)(heng)車愛好者們你(ni)們準備(bei)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)。在這里就是(shi)輪子(zi)把(ba)側翻力矩(ju)變(bian)成使自(zi)行車轉向的力矩(ju)。

利用電機來加強改進平衡：

在此基礎上，自(zi)平衡電(dian)動(dong)(dong)獨輪車加以改進，靠電(dian)機驅動(dong)(dong)的(de)，采用陀(tuo)螺儀(yi)與驅動(dong)(dong)電(dian)路(lu)控制保持不倒。把(ba)身體(ti)向(xiang)(xiang)前傾(qing)斜就(jiu)可以啟動(dong)(dong)。速度則(ze)是由身體(ti)的(de)傾(qing)斜程度來控制的(de)，想(xiang)要加速則(ze)向(xiang)(xiang)前傾(qing)，減速則(ze)向(xiang)(xiang)后傾(qing)。

拋開人(ren)的主動操(cao)控，獨輪平衡車(che)保證(zheng)正常工作一定(ding)離不開加速度(du)傳感(gan)器(qi)和角速度(du)傳感(gan)器(qi)（陀(tuo)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(xiang)上(shang)的(de)加速度(du)信(xin)號，車直立時，固定(ding)加速度(du)器(qi)在X軸水平方(fang)向，此時(shi)輸(shu)出(chu)信(xin)號為零偏電壓信(xin)號。當車發生傾斜時(shi)，重力加速度g便會在X軸方向形(xing)成(cheng)加速度分(fen)量，從而引起該軸輸出信號的變化。

但在實際車運(yun)行過程中，由(you)于平(ping)衡(heng)車本(ben)身的(de)(de)運(yun)動(dong)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)(de)加速度(du)會產(chan)生(sheng)很(hen)大的(de)(de)干擾(rao)信號(hao)疊(die)加在上述(shu)測量(liang)信號(hao)上，使得輸出(chu)信號(hao)無法準確反映(ying)真正的(de)(de)傾(qing)角(jiao)。因此(ci)對于直立控制所(suo)需(xu)要的(de)(de)姿態(tai)信息不能完全由(you)加速度(du)傳(chuan)感器來(lai)獲得。

角速度傳感器：

陀螺(luo)儀可(ke)以用來測量(liang)物體的旋轉角速度。平(ping)衡車(che)上(shang)安(an)裝陀螺(luo)儀，可(ke)以測量(liang)車(che)傾(qing)(qing)斜的角速度，將角速度信號進行積分處理便(bian)可(ke)以得到車(che)的傾(qing)(qing)角。

談(tan)到(dao)平衡我們(men)就不得不說(shuo)到(dao)陀螺(luo)(luo)儀(yi)，陀螺(luo)(luo)儀(yi)的(de)(de)原理就是，一(yi)個(ge)旋轉物(wu)體(ti)的(de)(de)旋轉軸(zhou)所(suo)指的(de)(de)方向在不受外力影響(xiang)時，是不會改變(bian)的(de)(de)。人(ren)們(men)根據這個(ge)道理，用(yong)它來保持方向，制造(zao)出來的(de)(de)東西就叫陀螺(luo)(luo)儀(yi)。我們(men)騎(qi)自行(xing)車其實也是利用(yong)了這個(ge)原理。

輪子轉得越快越不容易(yi)倒(dao)，因為(wei)車軸有(you)一股保(bao)持水平的(de)力量(liang)。陀螺儀在工(gong)作(zuo)時要給(gei)它一個力，使它快速(su)旋(xuan)轉起來，一般能(neng)達到每分鐘幾十(shi)萬轉，可以工(gong)作(zuo)很長時間。然后用多種方法(fa)讀取軸所指示的(de)方向，并自動將數據信號傳給(gei)控制(zhi)系統。

加速度(du)和角速度(du)兩個傳感器都無法(fa)單獨獲得(de)動態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)的準確(que)，穩(wen)定的姿(zi)態(tai)，但(dan)是這兩種傳感器具有(you)互補(bu)性，即加速度(du)傳感器，在(zai)靜態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)使(shi)用(yong)效果會(hui)好(hao)一些，陀螺儀在(zai)動態(tai)情(qing)況(kuang)下(xia)使(shi)用(yong)，效果會(hui)好(hao)一些。此時(shi)，就需要一種算(suan)法(fa)，來將這兩種信(xin)號進行有(you)效融合，才能獲取準確(que)的姿(zi)態(tai)信(xin)息。

所以電動獨輪平衡車主要通過(guo)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)（智能芯片）、姿(zi)(zi)態傳感(gan)(gan)器(qi)（陀螺儀）、執行器(qi)（電(dian)機(ji)(ji)）三部分來(lai)實現平衡(heng)。當(dang)駕駛(shi)者傾斜(xie)身體時，姿(zi)(zi)態傳感(gan)(gan)器(qi)輸(shu)出相(xiang)應姿(zi)(zi)態信息，控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)感(gan)(gan)知到這個信息后，命令電(dian)機(ji)(ji)向相(xiang)應方(fang)向旋轉(zhuan)，姿(zi)(zi)態傳感(gan)(gan)器(qi)按一定頻率不停地測(ce)量(liang)車子姿(zi)(zi)態，并輸(shu)出姿(zi)(zi)態息到控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)，控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)不停地調整電(dian)機(ji)(ji)的轉(zhuan)動方(fang)向和轉(zhuan)速，這樣就(jiu)保持了(le)一個動態的平衡(heng)。

雙輪平衡車的工作原理

與獨輪(lun)平(ping)(ping)衡車(che)(che)相(xiang)比，雙輪(lun)最大的(de)(de)區別便是(shi)(shi)多了一(yi)(yi)(yi)個輪(lun)子和操縱桿(gan)，但它與電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)(che)和摩托車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)前后排(pai)列方(fang)式(shi)不同(tong)，而是(shi)(shi)采用兩(liang)輪(lun)并排(pai)固定(ding)(ding)的(de)(de)方(fang)式(shi)，就(jiu)像一(yi)(yi)(yi)種兩(liang)輪(lun)平(ping)(ping)行(xing)的(de)(de)機器人一(yi)(yi)(yi)樣。兩(liang)輪(lun)自(zi)平(ping)(ping)衡控制(zhi)系統是(shi)(shi)一(yi)(yi)(yi)種兩(liang)輪(lun)左右平(ping)(ping)行(xing)布置的(de)(de)，像傳統的(de)(de)倒立擺一(yi)(yi)(yi)樣，本(ben)身是(shi)(shi)一(yi)(yi)(yi)個自(zi)然(ran)不穩定(ding)(ding)體，必須(xu)施加強有力的(de)(de)控制(zhi)手(shou)段才能(neng)使之穩定(ding)(ding)。因為兩(liang)輪(lun)平(ping)(ping)衡車(che)(che)具有運(yun)動(dong)靈活、智能(neng)控制(zhi)、操作(zuo)簡單、節(jie)省能(neng)源、綠色環保、轉彎(wan)半徑為零(ling)等優點，所(suo)以它適用于在狹小空間內運(yun)行(xing)。

雙輪平衡(heng)車(che)的(de)(de)工(gong)作(zuo)原理，非常類似(si)于我(wo)們(men)(men)人體(ti)(ti)自身(shen)的(de)(de)平衡(heng)系統。就我(wo)們(men)(men)的(de)(de)人體(ti)(ti)而(er)言，當(dang)身(shen)體(ti)(ti)重心前(qian)傾時(shi)，為了保(bao)證平衡(heng)，我(wo)們(men)(men)需要(yao)往前(qian)走(zou)；而(er)當(dang)重心后傾時(shi)，我(wo)們(men)(men)需要(yao)往后走(zou)，其中也是(shi)同(tong)樣的(de)(de)道理。

當我(wo)(wo)們(men)在(zai)駕駛平衡(heng)車的(de)時(shi)候，平衡(heng)車的(de)兩個輪子就代替了雙腳(jiao)。與身體的(de)平衡(heng)系統非(fei)常類似，當我(wo)(wo)們(men)的(de)重心前(qian)(qian)傾時(shi)，智(zhi)能系統就會(hui)(hui)自(zi)動感應到，并精確(que)地(di)驅動輪子向前(qian)(qian)運(yun)動，以保(bao)持平衡(heng)；同樣地(di)，當我(wo)(wo)們(men)身體的(de)重心后(hou)(hou)傾時(shi)，輪子就會(hui)(hui)向后(hou)(hou)運(yun)動。

這套工作原(yuan)(yuan)理被稱(cheng)為(wei)“動態(tai)平衡”原(yuan)(yuan)理，這也(ye)(ye)是(shi)平衡車被叫(jiao)做(zuo)“平衡車”的(de)(de)原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)；有時也(ye)(ye)被叫(jiao)做(zuo)“體(ti)感車”，這是(shi)因(yin)(yin)為(wei)它能(neng)(neng)感應(ying)身體(ti)重心的(de)(de)變化，因(yin)(yin)駕(jia)駛者姿(zi)態(tai)的(de)(de)變化而改變行(xing)駛狀態(tai)；有時也(ye)(ye)被叫(jiao)做(zuo)“思維車”，這是(shi)因(yin)(yin)為(wei)它能(neng)(neng)夠(gou)智(zhi)能(neng)(neng)感應(ying)重心變化、智(zhi)能(neng)(neng)調(diao)整姿(zi)態(tai)和運(yun)行(xing)狀態(tai)。

平衡車利(li)用(yong)(yong)“動態平衡”原理，采用(yong)(yong)第二代運動補償算(suan)法，利(li)用(yong)(yong)其(qi)內部的(de)陀螺儀和加速度傳感(gan)器(qi)，來精確檢測車體(ti)姿態的(de)微(wei)小(xiao)變化，并利(li)用(yong)(yong)精密的(de)伺服控(kong)制系統(tong)，靈敏(min)地驅動電機(ji)，進行相應的(de)調(diao)整(zheng)，以保持整(zheng)個車體(ti)的(de)穩定(ding)和平衡。

當(dang)我(wo)們(men)旋轉(zhuan)(zhuan)方向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)時，運行(xing)系(xi)統會(hui)相應(ying)地控制左右(you)兩(liang)邊的速度差，以此來實(shi)現(xian)車(che)體(ti)的轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)。因此在(zai)騎行(xing)過程中(zhong)，將(jiang)方向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)指向(xiang)(xiang)您需要(yao)前進的方向(xiang)(xiang)時，車(che)體(ti)將(jiang)會(hui)朝著我(wo)們(men)指向(xiang)(xiang)的方向(xiang)(xiang)行(xing)駛。當(dang)方向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)處于車(che)體(ti)正中(zhong)間位置時，系(xi)統將(jiang)朝正前方行(xing)駛。并(bing)且在(zai)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)時，如(ru)果身體(ti)跟隨方向(xiang)(xiang)操(cao)(cao)縱(zong)桿(gan)(gan)傾(qing)(qing)斜(xie)的方向(xiang)(xiang)傾(qing)(qing)斜(xie)，那么我(wo)們(men)將(jiang)會(hui)獲得更好的轉(zhuan)(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。