【平(ping)衡車(che)的(de)原(yuan)(yuan)理(li)】自平(ping)衡單輪電(dian)動(dong)(dong)平(ping)衡車(che)原(yuan)(yuan)理(li) 電(dian)動(dong)(dong)平(ping)衡車(che)不倒的(de)原(yuan)(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(hui)。當(dang)時(shi)，場館里的警衛人員都(dou)會(hui)騎著電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。

但是當(dang)時平(ping)衡車這個新寵兒被附上(shang)“軍用”與“進口(kou)”雙重光環(huan)，讓許(xu)多人對(dui)這個新事物望而止步，以至于平(ping)衡車這類產品總(zong)是蒙上(shang)了一(yi)層(ceng)神秘感(gan)。今天，小編就和大家(jia)一(yi)起(qi)來探尋平(ping)衡車背后的科學原理，平(ping)衡車愛(ai)好(hao)者們你們準備好(hao)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(zhe)里就是輪(lun)子把側翻力(li)(li)矩變(bian)成使自行車轉向(xiang)的力(li)(li)矩。

利用電機來加強改進平衡：

在(zai)此(ci)基礎上，自平衡電(dian)動(dong)(dong)獨輪車(che)加以改進，靠電(dian)機驅動(dong)(dong)的(de)(de)(de)，采用陀螺儀(yi)與驅動(dong)(dong)電(dian)路控制(zhi)保持不倒。把身(shen)體(ti)向前傾(qing)(qing)斜就可以啟動(dong)(dong)。速度(du)則是由(you)身(shen)體(ti)的(de)(de)(de)傾(qing)(qing)斜程度(du)來控制(zhi)的(de)(de)(de)，想要加速則向前傾(qing)(qing)，減速則向后(hou)傾(qing)(qing)。

拋開人的(de)主(zhu)動(dong)操控，獨輪平衡車保證正常工作一(yi)定離不開加速(su)度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)和角速(su)度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)（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(du)信號(hao)，車(che)直立時，固定加速度(du)器在(zai)X軸水平方向，此時(shi)輸出(chu)信號為零偏電壓信號。當車發生傾(qing)斜時(shi)，重(zhong)力加速度g便會在X軸方向(xiang)形成(cheng)加速度分量，從而引起該(gai)軸輸出信號的變化(hua)。

但在實際車運行過程中(zhong)，由于平衡車本身(shen)的(de)運動(dong)所產(chan)生的(de)加速(su)度(du)會產(chan)生很大(da)的(de)干擾信號疊(die)加在上述測量信號上，使(shi)得(de)輸出(chu)信號無(wu)法(fa)準確(que)反映真(zhen)正的(de)傾角。因此對于直立控(kong)制所需要的(de)姿態信息不能完(wan)全由加速(su)度(du)傳感器來(lai)獲得(de)。

角速度傳感器：

陀螺儀(yi)可以用來測量物體的(de)旋轉角(jiao)速(su)度(du)(du)。平衡(heng)車(che)上安裝陀螺儀(yi)，可以測量車(che)傾斜的(de)角(jiao)速(su)度(du)(du)，將角(jiao)速(su)度(du)(du)信號進行積分處理便(bian)可以得到車(che)的(de)傾角(jiao)。

談到平衡我們(men)就(jiu)不(bu)得不(bu)說(shuo)到陀(tuo)(tuo)螺儀，陀(tuo)(tuo)螺儀的原理就(jiu)是，一個(ge)旋轉(zhuan)物體的旋轉(zhuan)軸所指的方向(xiang)在不(bu)受(shou)外力影響時，是不(bu)會改(gai)變的。人(ren)們(men)根據這個(ge)道理，用它(ta)來保(bao)持(chi)方向(xiang)，制造出來的東西就(jiu)叫陀(tuo)(tuo)螺儀。我們(men)騎自行車其實也是利用了這個(ge)原理。

輪子轉(zhuan)得越快越不容易倒，因為車軸(zhou)有一股保持水平的(de)(de)力(li)量。陀螺儀在工(gong)作(zuo)時要給它一個力(li)，使(shi)它快速旋轉(zhuan)起(qi)來，一般(ban)能達到(dao)每分鐘幾十(shi)萬(wan)轉(zhuan)，可(ke)以工(gong)作(zuo)很長時間。然后用(yong)多(duo)種方法讀取軸(zhou)所指示的(de)(de)方向，并自(zi)動(dong)將數據(ju)信號(hao)傳給控制系統。

加速度和角速度兩(liang)個傳(chuan)感(gan)器都無法(fa)單獨獲(huo)得(de)動(dong)態(tai)情(qing)況(kuang)下的準確，穩定的姿態(tai)，但是這兩(liang)種(zhong)(zhong)傳(chuan)感(gan)器具(ju)有(you)互補性，即加速度傳(chuan)感(gan)器，在靜態(tai)情(qing)況(kuang)下使(shi)(shi)用效(xiao)果會好一些(xie)，陀螺儀在動(dong)態(tai)情(qing)況(kuang)下使(shi)(shi)用，效(xiao)果會好一些(xie)。此時，就需要一種(zhong)(zhong)算法(fa)，來將這兩(liang)種(zhong)(zhong)信(xin)號進行有(you)效(xiao)融合，才能獲(huo)取準確的姿態(tai)信(xin)息。

所以電動獨輪平衡車主(zhu)要通過(guo)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)（智能芯片）、姿(zi)態(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)（陀螺儀(yi)）、執(zhi)行器(qi)（電(dian)機(ji)）三部分來實(shi)現平(ping)衡。當駕駛者傾斜(xie)身體(ti)時，姿(zi)態(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)輸(shu)出相(xiang)應姿(zi)態(tai)(tai)(tai)信息(xi)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)感(gan)知(zhi)到這(zhe)個信息(xi)后，命令電(dian)機(ji)向(xiang)相(xiang)應方(fang)向(xiang)旋轉(zhuan)，姿(zi)態(tai)(tai)(tai)傳感(gan)器(qi)按一(yi)定頻率不(bu)停地測量車子姿(zi)態(tai)(tai)(tai)，并輸(shu)出姿(zi)態(tai)(tai)(tai)息(xi)到控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)不(bu)停地調(diao)整電(dian)機(ji)的轉(zhuan)動方(fang)向(xiang)和轉(zhuan)速，這(zhe)樣就保持了一(yi)個動態(tai)(tai)(tai)的平(ping)衡。

雙輪平衡車的工作原理

與獨輪(lun)(lun)平衡(heng)車(che)(che)相比(bi)，雙輪(lun)(lun)最大的區別便是(shi)(shi)(shi)多了一(yi)(yi)個輪(lun)(lun)子和(he)操縱桿，但(dan)它與電動自行(xing)(xing)車(che)(che)和(he)摩托車(che)(che)車(che)(che)輪(lun)(lun)前后排列方式不同，而是(shi)(shi)(shi)采用兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)并排固(gu)定(ding)的方式，就像(xiang)一(yi)(yi)種兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)平行(xing)(xing)的機器人一(yi)(yi)樣(yang)。兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)自平衡(heng)控制系統是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)種兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)左右平行(xing)(xing)布置的，像(xiang)傳(chuan)統的倒立擺一(yi)(yi)樣(yang)，本身是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)個自然不穩定(ding)體，必須施加強有力的控制手(shou)段才(cai)能使(shi)之穩定(ding)。因為(wei)兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)平衡(heng)車(che)(che)具有運(yun)動靈活(huo)、智能控制、操作簡單、節(jie)省能源、綠色環保、轉彎半徑(jing)為(wei)零等優(you)點，所以它適用于在(zai)狹(xia)小空間內運(yun)行(xing)(xing)。

雙輪平衡(heng)車的(de)(de)工作原(yuan)理，非常類似于我(wo)(wo)們人體自身(shen)的(de)(de)平衡(heng)系統。就我(wo)(wo)們的(de)(de)人體而(er)言，當(dang)身(shen)體重心前(qian)傾時，為了保證平衡(heng)，我(wo)(wo)們需(xu)要往前(qian)走(zou)；而(er)當(dang)重心后(hou)(hou)傾時，我(wo)(wo)們需(xu)要往后(hou)(hou)走(zou)，其中也是同(tong)樣的(de)(de)道理。

當我們(men)在駕駛平衡車(che)的時(shi)候，平衡車(che)的兩個(ge)輪子(zi)就(jiu)代替了雙腳(jiao)。與身(shen)體的平衡系(xi)統非常類似，當我們(men)的重(zhong)心(xin)前傾時(shi)，智能系(xi)統就(jiu)會自動(dong)感(gan)應到，并精確地(di)驅動(dong)輪子(zi)向(xiang)前運動(dong)，以保持平衡；同樣(yang)地(di)，當我們(men)身(shen)體的重(zhong)心(xin)后(hou)傾時(shi)，輪子(zi)就(jiu)會向(xiang)后(hou)運動(dong)。

這(zhe)套工作原(yuan)(yuan)理被(bei)稱(cheng)為(wei)“動態(tai)平衡”原(yuan)(yuan)理，這(zhe)也(ye)是平衡車(che)被(bei)叫(jiao)(jiao)做“平衡車(che)”的原(yuan)(yuan)因；有(you)時也(ye)被(bei)叫(jiao)(jiao)做“體感車(che)”，這(zhe)是因為(wei)它能(neng)(neng)感應(ying)身(shen)體重(zhong)心(xin)的變化，因駕駛者姿態(tai)的變化而(er)改變行駛狀態(tai)；有(you)時也(ye)被(bei)叫(jiao)(jiao)做“思(si)維車(che)”，這(zhe)是因為(wei)它能(neng)(neng)夠智能(neng)(neng)感應(ying)重(zhong)心(xin)變化、智能(neng)(neng)調(diao)整(zheng)姿態(tai)和運(yun)行狀態(tai)。

平(ping)衡車(che)利用“動態(tai)平(ping)衡”原理，采用第二代運動補償(chang)算法，利用其內部的陀(tuo)螺儀和加速度(du)傳感器，來精確檢(jian)測(ce)車(che)體姿態(tai)的微小變(bian)化(hua)，并利用精密的伺服控制系統，靈敏地驅(qu)動電機，進行相應的調(diao)整，以保(bao)持整個車(che)體的穩定和平(ping)衡。

當(dang)我們(men)旋轉(zhuan)(zhuan)方向(xiang)操(cao)(cao)縱桿(gan)時，運行(xing)系統(tong)會(hui)(hui)相應地控制左右兩邊的(de)速(su)度差，以此(ci)來實現車體(ti)(ti)的(de)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)。因(yin)此(ci)在騎行(xing)過程中(zhong)(zhong)，將(jiang)方向(xiang)操(cao)(cao)縱桿(gan)指(zhi)向(xiang)您需要前進的(de)方向(xiang)時，車體(ti)(ti)將(jiang)會(hui)(hui)朝著我們(men)指(zhi)向(xiang)的(de)方向(xiang)行(xing)駛。當(dang)方向(xiang)操(cao)(cao)縱桿(gan)處于車體(ti)(ti)正中(zhong)(zhong)間位(wei)置時，系統(tong)將(jiang)朝正前方行(xing)駛。并且在轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)時，如果身(shen)體(ti)(ti)跟(gen)隨方向(xiang)操(cao)(cao)縱桿(gan)傾斜的(de)方向(xiang)傾斜，那么我們(men)將(jiang)會(hui)(hui)獲得更好的(de)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)體(ti)(ti)驗(yan)。

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。