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【平衡車的原理】自平衡單輪電動(dòng)平衡車原理 電動(dòng)平衡車不倒的原理

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摘要:電動(dòng)平衡車的運(yùn)作原理主要是建立在一種被稱為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”的基本原理上,利用車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器,來檢測(cè)車體姿態(tài)的變化,并利用伺服控制系統(tǒng),精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以保持系統(tǒng)的平衡。下面為您詳細(xì)介紹自平衡單輪電動(dòng)平衡車原理。

【平衡車的原理】自平衡單輪電動(dòng)平衡車原理 電動(dòng)平衡車不倒的原理


電動(dòng)平衡車要來了!獨(dú)輪平衡車原理分析

對(duì)于國(guó)內(nèi)大眾來說,初次開始了解電動(dòng)平衡車還要追溯到2008年奧運(yùn)會(huì)。當(dāng)時(shí),場(chǎng)館里的警衛(wèi)人員都會(huì)騎著 電動(dòng)平衡車,作為巡邏時(shí)的代步工具。

但是當(dāng)時(shí)平衡車這個(gè)新寵兒被附上“軍用”與“進(jìn)口”雙重光環(huán),讓許多人對(duì)這個(gè)新事物望而止步,以至于平衡車這類產(chǎn)品總是蒙上了一層神秘感。今天,小編就和大家一起來探尋平衡車背后的科學(xué)原理,平衡車愛好者們你們準(zhǔn)備好了么?

電動(dòng)獨(dú)輪車不倒的原理:

一方面是由于人能夠調(diào)整重心,調(diào)整車前行的方向,車前行的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變由于慣性就能平衡重力的側(cè)翻力矩。還有重要的一點(diǎn)是高速旋轉(zhuǎn)的輪子具有較大的角動(dòng)量,角動(dòng)量能夠抵抗外力矩,就好比陀螺不倒一樣。在大學(xué)物理里,這種現(xiàn)象叫進(jìn)動(dòng),自傳體能把外力矩的方向旋轉(zhuǎn)90度。在這里就是輪子把側(cè)翻力矩變成使自行車轉(zhuǎn)向的力矩。

利用電機(jī)來加強(qiáng)改進(jìn)平衡:

在此基礎(chǔ)上,自平衡電動(dòng)獨(dú)輪車加以改進(jìn),靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的,采用陀螺儀與驅(qū)動(dòng)電路控制保持不倒。把身體向前傾斜就可以啟動(dòng)。速度則是由身體的傾斜程度來控制的,想要加速則向前傾,減速則向后傾。

拋開人的主動(dòng)操控,獨(dú)輪平衡車保證正常工作一定離不開加速度傳感器和角速度傳感器(陀螺儀)。

加速度傳感器:

加速度傳感器可以測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。只需要測(cè)量其中一個(gè)方向上的加速度值,就可以計(jì)算出車傾角。比如使用X軸向上的加速度信號(hào),車直立時(shí),固定加速度器在X軸水平方向,此時(shí)輸出信號(hào)為零偏電壓信號(hào)。當(dāng)車發(fā)生傾斜時(shí),重力加速度g便會(huì)在X軸方向形成加速度分量,從而引起該軸輸出信號(hào)的變化。

但在實(shí)際車運(yùn)行過程中,由于平衡車本身的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)疊加在上述測(cè)量信號(hào)上,使得輸出信號(hào)無法準(zhǔn)確反映真正的傾角。因此對(duì)于直立控制所需要的姿態(tài)信息不能完全由加速度傳感器來獲得。

角速度傳感器:

陀螺儀可以用來測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。平衡車上安裝陀螺儀,可以測(cè)量車傾斜的角速度,將角速度信號(hào)進(jìn)行積分處理便可以得到車的傾角。

談到平衡我們就不得不說到陀螺儀,陀螺儀的原理就是,一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí),是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。

輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力,使它快速旋轉(zhuǎn)起來,一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),可以工作很長(zhǎng)時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

加速度和角速度兩個(gè)傳感器都無法單獨(dú)獲得動(dòng)態(tài)情況下的準(zhǔn)確,穩(wěn)定的姿態(tài),但是這兩種傳感器具有互補(bǔ)性,即加速度傳感器,在靜態(tài)情況下使用效果會(huì)好一些,陀螺儀在動(dòng)態(tài)情況下使用,效果會(huì)好一些。此時(shí),就需要一種算法,來將這兩種信號(hào)進(jìn)行有效融合,才能獲取準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。

所以電動(dòng)獨(dú)輪平衡車主要通過控制器(智能芯片)、姿態(tài)傳感器(陀螺儀)、執(zhí)行器(電機(jī))三部分來實(shí)現(xiàn)平衡。當(dāng)駕駛者傾斜身體時(shí),姿態(tài)傳感器輸出相應(yīng)姿態(tài)信息,控制器感知到這個(gè)信息后,命令電機(jī)向相應(yīng)方向旋轉(zhuǎn),姿態(tài)傳感器按一定頻率不停地測(cè)量車子姿態(tài),并輸出姿態(tài)息到控制器,控制器不停地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速,這樣就保持了一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

雙輪平衡車的工作原理

與獨(dú)輪平衡車相比,雙輪最大的區(qū)別便是多了一個(gè)輪子和操縱桿,但它與電動(dòng)自行車和摩托車車輪前后排列方式不同,而是采用兩輪并排固定的方式,就像一種兩輪平行的機(jī)器人一樣。兩輪自平衡控制系統(tǒng)是一種兩輪左右平行布置的,像傳統(tǒng)的倒立擺一樣,本身是一個(gè)自然不穩(wěn)定體,必須施加強(qiáng)有力的控制手段才能使之穩(wěn)定。因?yàn)閮奢喥胶廛嚲哂羞\(yùn)動(dòng)靈活、智能控制、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省能源、綠色環(huán)保、轉(zhuǎn)彎半徑為零等優(yōu)點(diǎn),所以它適用于在狹小空間內(nèi)運(yùn)行。

雙輪平衡車的工作原理,非常類似于我們?nèi)梭w自身的平衡系統(tǒng)。就我們的人體而言,當(dāng)身體重心前傾時(shí),為了保證平衡,我們需要往前走;而當(dāng)重心后傾時(shí),我們需要往后走,其中也是同樣的道理。

當(dāng)我們?cè)隈{駛平衡車的時(shí)候,平衡車的兩個(gè)輪子就代替了雙腳。與身體的平衡系統(tǒng)非常類似,當(dāng)我們的重心前傾時(shí),智能系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)感應(yīng)到,并精確地驅(qū)動(dòng)輪子向前運(yùn)動(dòng),以保持平衡;同樣地,當(dāng)我們身體的重心后傾時(shí),輪子就會(huì)向后運(yùn)動(dòng)。

這套工作原理被稱為“動(dòng)態(tài)平衡”原理,這也是平衡車被叫做“平衡車”的原因;有時(shí)也被叫做“體感車”,這是因?yàn)樗芨袘?yīng)身體重心的變化,因駕駛者姿態(tài)的變化而改變行駛狀態(tài);有時(shí)也被叫做“思維車”,這是因?yàn)樗軌蛑悄芨袘?yīng)重心變化、智能調(diào)整姿態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。

平衡車?yán)谩皠?dòng)態(tài)平衡”原理,采用第二代運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法,利用其內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器,來精確檢測(cè)車體姿態(tài)的微小變化,并利用精密的伺服控制系統(tǒng),靈敏地驅(qū)動(dòng)電機(jī),進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以保持整個(gè)車體的穩(wěn)定和平衡。

當(dāng)我們旋轉(zhuǎn)方向操縱桿時(shí),運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地控制左右兩邊的速度差,以此來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。因此在騎行過程中,將方向操縱桿指向您需要前進(jìn)的方向時(shí),車體將會(huì)朝著我們指向的方向行駛。當(dāng)方向操縱桿處于車體正中間位置時(shí),系統(tǒng)將朝正前方行駛。并且在轉(zhuǎn)向時(shí),如果身體跟隨方向操縱桿傾斜的方向傾斜,那么我們將會(huì)獲得更好的轉(zhuǎn)向體驗(yàn)。

平衡車不僅擁有時(shí)尚動(dòng)感的炫酷外觀,在其內(nèi)部有一個(gè)極致精密的智能運(yùn)行系統(tǒng),用“秀于外,慧于中”來形容最貼切不過了。但也是這樣一款產(chǎn)品卻一直穿梭在監(jiān)管的灰色地帶,部分地區(qū)交管部門已經(jīng)限制平衡車上路,未來電動(dòng)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(yè)帶入正軌,一切也還是未知數(shù)。

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