【平(ping)(ping)衡車(che)的原理】自平(ping)(ping)衡單輪電(dian)(dian)動平(ping)(ping)衡車(che)原理 電(dian)(dian)動平(ping)(ping)衡車(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年奧運會。當時，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(ping)衡(heng)車這(zhe)個(ge)新寵(chong)兒被附上(shang)“軍用”與“進口(kou)”雙(shuang)重(zhong)光環，讓許多人對這(zhe)個(ge)新事物(wu)望而(er)止(zhi)步，以(yi)至于(yu)平(ping)衡(heng)車這(zhe)類產品(pin)總(zong)是蒙(meng)上(shang)了一(yi)層神秘感。今(jin)天(tian)，小編就(jiu)和大(da)家一(yi)起來探(tan)尋平(ping)衡(heng)車背后的(de)科(ke)學原理，平(ping)衡(heng)車愛(ai)好者們你(ni)們準備好了么？

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(zai)這里就是(shi)輪子把側(ce)翻(fan)力矩變(bian)成使自行車轉(zhuan)向的力矩。

利用電機來加強改進平衡：

在此基(ji)礎上，自(zi)平(ping)衡電(dian)(dian)動(dong)獨輪車(che)加(jia)以改進，靠電(dian)(dian)機驅動(dong)的，采用陀螺儀與驅動(dong)電(dian)(dian)路控制保(bao)持不倒(dao)。把身(shen)體(ti)向前傾斜就可以啟動(dong)。速度則是(shi)由身(shen)體(ti)的傾斜程度來控制的，想要加(jia)速則向前傾，減速則向后傾。

拋開(kai)人的主動操控，獨(du)輪平衡車保證正常工作一定離不開(kai)加(jia)速(su)度傳感(gan)器(qi)和角速(su)度傳感(gan)器(qi)（陀螺儀(yi)）。

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，車直立時，固定(ding)加速度器在(zai)X軸水平方向，此時輸(shu)出信號(hao)為零(ling)偏電壓信號(hao)。當車發生傾斜時，重力加(jia)速度(du)g便會(hui)在(zai)X軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出信號(hao)的(de)變化。

但在實際車運行(xing)過程中，由于(yu)平衡車本(ben)身的運動所(suo)產(chan)生(sheng)的加速(su)度會產(chan)生(sheng)很大的干擾信號疊(die)加在上述測量(liang)信號上，使得輸出信號無法(fa)準(zhun)確反映(ying)真正的傾角。因此對于(yu)直立控制(zhi)所(suo)需要的姿態(tai)信息不能完全由加速(su)度傳感器來獲(huo)得。

角速度傳感器：

陀(tuo)螺(luo)儀可以(yi)用來(lai)測(ce)量物(wu)體的(de)旋轉角速度(du)。平衡(heng)車(che)上安裝陀(tuo)螺(luo)儀，可以(yi)測(ce)量車(che)傾斜(xie)的(de)角速度(du)，將(jiang)角速度(du)信號(hao)進行積分處(chu)理便可以(yi)得到車(che)的(de)傾角。

談到平衡我們(men)就不(bu)得不(bu)說到陀螺儀(yi)，陀螺儀(yi)的(de)(de)原(yuan)理(li)就是(shi)(shi)，一個(ge)(ge)旋(xuan)(xuan)轉物體的(de)(de)旋(xuan)(xuan)轉軸所指的(de)(de)方向在不(bu)受外力影響時，是(shi)(shi)不(bu)會改變的(de)(de)。人們(men)根據這個(ge)(ge)道理(li)，用它來保(bao)持(chi)方向，制造出來的(de)(de)東西就叫陀螺儀(yi)。我們(men)騎自行車其實也是(shi)(shi)利用了這個(ge)(ge)原(yuan)理(li)。

輪(lun)子轉得(de)越快越不容易倒(dao)，因為車軸有一(yi)股保持水平的力量(liang)。陀螺儀在工作時(shi)要給它一(yi)個力，使它快速旋轉起來，一(yi)般(ban)能達到(dao)每分鐘幾十萬轉，可(ke)以工作很長(chang)時(shi)間。然后用多種(zhong)方(fang)法讀(du)取軸所(suo)指示的方(fang)向，并自動(dong)將數據信號傳給控制(zhi)系統。

加速度和(he)角速度兩個傳(chuan)感器都無法單獨獲得動態(tai)情(qing)況下(xia)的準(zhun)確(que)(que)，穩(wen)定的姿(zi)態(tai)，但是這兩種傳(chuan)感器具(ju)有互補性，即加速度傳(chuan)感器，在靜態(tai)情(qing)況下(xia)使用效果會好(hao)一(yi)些，陀(tuo)螺儀在動態(tai)情(qing)況下(xia)使用，效果會好(hao)一(yi)些。此時(shi)，就(jiu)需要(yao)一(yi)種算法，來將這兩種信號(hao)進行有效融合，才能獲取準(zhun)確(que)(que)的姿(zi)態(tai)信息。

所以電動獨輪平衡車主要(yao)通過(guo)控制器(qi)(qi)(qi)（智能芯片）、姿態(tai)(tai)傳感器(qi)(qi)(qi)（陀螺儀）、執行(xing)器(qi)(qi)(qi)（電(dian)機(ji)(ji)）三部分來實現平(ping)衡。當駕駛者傾斜(xie)身體時，姿態(tai)(tai)傳感器(qi)(qi)(qi)輸出(chu)相應姿態(tai)(tai)信息，控制器(qi)(qi)(qi)感知到(dao)這個(ge)信息后，命令電(dian)機(ji)(ji)向(xiang)(xiang)相應方(fang)向(xiang)(xiang)旋轉，姿態(tai)(tai)傳感器(qi)(qi)(qi)按一定頻率不停(ting)地(di)測量車子姿態(tai)(tai)，并輸出(chu)姿態(tai)(tai)息到(dao)控制器(qi)(qi)(qi)，控制器(qi)(qi)(qi)不停(ting)地(di)調整電(dian)機(ji)(ji)的轉動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)(xiang)和轉速，這樣就(jiu)保(bao)持(chi)了一個(ge)動(dong)(dong)態(tai)(tai)的平(ping)衡。

雙輪平衡車的工作原理

與(yu)獨輪(lun)(lun)(lun)平(ping)(ping)衡(heng)車相比，雙輪(lun)(lun)(lun)最大的(de)(de)區別便是多了一(yi)個輪(lun)(lun)(lun)子(zi)和(he)操縱桿，但它與(yu)電動自行(xing)(xing)車和(he)摩托車車輪(lun)(lun)(lun)前后排列方式不(bu)同(tong)，而(er)是采用兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)并排固定的(de)(de)方式，就像(xiang)一(yi)種兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)平(ping)(ping)行(xing)(xing)的(de)(de)機器人一(yi)樣。兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)自平(ping)(ping)衡(heng)控(kong)制系(xi)統是一(yi)種兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)左右(you)平(ping)(ping)行(xing)(xing)布置的(de)(de)，像(xiang)傳統的(de)(de)倒立擺一(yi)樣，本身是一(yi)個自然不(bu)穩(wen)定體，必須施(shi)加(jia)強有(you)力(li)的(de)(de)控(kong)制手段才能使之穩(wen)定。因為兩(liang)(liang)輪(lun)(lun)(lun)平(ping)(ping)衡(heng)車具有(you)運(yun)動靈活、智能控(kong)制、操作簡單、節省能源(yuan)、綠色環保、轉彎半徑為零等(deng)優(you)點，所以(yi)它適(shi)用于在狹小空(kong)間內運(yun)行(xing)(xing)。

雙輪平(ping)(ping)衡車(che)的(de)(de)工作原理，非常類似于我們(men)人體自身(shen)(shen)的(de)(de)平(ping)(ping)衡系統。就我們(men)的(de)(de)人體而言(yan)，當身(shen)(shen)體重心前(qian)傾時，為了保證平(ping)(ping)衡，我們(men)需(xu)(xu)要往(wang)前(qian)走(zou)(zou)；而當重心后傾時，我們(men)需(xu)(xu)要往(wang)后走(zou)(zou)，其中(zhong)也是同樣的(de)(de)道理。

當我(wo)們在駕(jia)駛平衡車的(de)(de)時(shi)候(hou)，平衡車的(de)(de)兩個(ge)輪(lun)子(zi)就代替了雙腳。與身體的(de)(de)平衡系統(tong)非常類似，當我(wo)們的(de)(de)重心(xin)(xin)前傾時(shi)，智能系統(tong)就會自動(dong)(dong)感應到，并精確地驅動(dong)(dong)輪(lun)子(zi)向前運(yun)動(dong)(dong)，以(yi)保持平衡；同樣(yang)地，當我(wo)們身體的(de)(de)重心(xin)(xin)后(hou)(hou)傾時(shi)，輪(lun)子(zi)就會向后(hou)(hou)運(yun)動(dong)(dong)。

這套工作原理(li)(li)被(bei)稱為(wei)“動態(tai)(tai)平(ping)(ping)衡(heng)”原理(li)(li)，這也是(shi)平(ping)(ping)衡(heng)車(che)(che)被(bei)叫做“平(ping)(ping)衡(heng)車(che)(che)”的(de)原因；有(you)時也被(bei)叫做“體感車(che)(che)”，這是(shi)因為(wei)它(ta)能(neng)感應身體重心的(de)變(bian)化(hua)，因駕駛(shi)者姿態(tai)(tai)的(de)變(bian)化(hua)而(er)改變(bian)行駛(shi)狀態(tai)(tai)；有(you)時也被(bei)叫做“思維(wei)車(che)(che)”，這是(shi)因為(wei)它(ta)能(neng)夠智(zhi)能(neng)感應重心變(bian)化(hua)、智(zhi)能(neng)調整姿態(tai)(tai)和運行狀態(tai)(tai)。

平(ping)衡(heng)車利用“動態平(ping)衡(heng)”原理(li)，采用第二代運動補償算法，利用其內部的(de)陀(tuo)螺儀和加速度(du)傳(chuan)感器，來精(jing)確檢測(ce)車體(ti)姿(zi)態的(de)微小變(bian)化，并(bing)利用精(jing)密(mi)的(de)伺服(fu)控制系統，靈敏地(di)驅(qu)動電機(ji)，進行相應的(de)調整，以保持整個(ge)車體(ti)的(de)穩定(ding)和平(ping)衡(heng)。

當我們(men)(men)旋轉(zhuan)(zhuan)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿時，運行(xing)系統(tong)會(hui)(hui)相應地控制左右兩邊的速度差，以此(ci)來實(shi)現車(che)體的轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)。因此(ci)在(zai)騎行(xing)過程(cheng)中，將方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿指向(xiang)(xiang)(xiang)您需要前進的方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)時，車(che)體將會(hui)(hui)朝著我們(men)(men)指向(xiang)(xiang)(xiang)的方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)行(xing)駛。當方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿處于車(che)體正中間(jian)位置時，系統(tong)將朝正前方(fang)行(xing)駛。并且在(zai)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)時，如果身體跟隨方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)操(cao)縱(zong)(zong)(zong)桿傾(qing)斜(xie)的方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)傾(qing)斜(xie)，那么我們(men)(men)將會(hui)(hui)獲得更好的轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)體驗。

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。