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| 本文作者： 楊仁杰 | 2015-04-13 17:13 |
近年來，交通的擁堵、資本的熱逐和明星的推動，讓電動平衡車熱了起來。你看，作為價格屠夫的小米也來湊熱鬧。4月10日，小米向媒體發布邀請函，15日將舉行發布會。邀請函上出現了一個指南針圖形，暗示將與導航類的產品有關。
但從邀請函上的納恩博字樣我們不難發現，小米此次推出的新品應該為平衡車。
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，場館里的警衛人員都會騎著由美國 Segway 公司提供的電動平衡車，作為巡邏時的代步工具。
但是當時平衡車這個新寵兒被附上“軍用”與“進口”雙重光環，讓許多人對這個新事物望而止步，以至于平衡車這類產品總是蒙上了一層神秘感。今天，雷鋒網就和大家一起來探尋平衡車背后的科學原理，平衡車愛好者們你們準備好了么？
獨輪平衡車的工作原理
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。在這里就是輪子把側翻力矩變成使自行車轉向的力矩。
利用電機來加強改進平衡：
在此基礎上，自平衡電動獨輪車加以改進，靠電機驅動的，采用陀螺儀與驅動電路控制保持不倒。把身體向前傾斜就可以啟動。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。
拋開人的主動操控，獨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，固定加速度器在X軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當車發生傾斜時，重力加速度g 便會在X 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出信號的變化。
但在實際車運行過程中，由于平衡車本身的運動所產生的加速度會產生很大的干擾信號疊加在上述測量信號上，使得輸出信號無法準確反映真正的傾角。因此對于直立控制所需要的姿態信息不能完全由加速度傳感器來獲得。
角速度傳感器：
陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角速度。平衡車上安裝陀螺儀，可以測量車傾斜的角速度，將角速度信號進行積分處理便可以得到車的傾角。
平衡車的核心部件：
（點擊右上角放大鏡圖標查看動態圖片）
談到平衡我們就不得不說到陀螺儀，陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。
加速度和角速度兩個傳感器都無法單獨獲得動態情況下的準確，穩定的姿態，但是這兩種傳感器具有互補性，即加速度傳感器，在靜態情況下使用效果會好一些，陀螺儀在動態情況下使用，效果會好一些。此時，就需要一種算法，來將這兩種信號進行有效融合，才能獲取準確的姿態信息。
所以電動獨輪平衡車主要通過控制器（智能芯片）、姿態傳感器（陀螺儀）、執行器（電機）三部分來實現平衡。當駕駛者傾斜身體時，姿態傳感器輸出相應姿態信息，控制器感知到這個信息后，命令電機向相應方向旋轉，姿態傳感器按一定頻率不停地測量車子姿態，并輸出姿態息到控制器，控制器不停地調整電機的轉動方向和轉速，這樣就保持了一個動態的平衡。
雙輪平衡車的工作原理
與獨輪平衡車相比，雙輪最大的區別便是多了一個輪子和操縱桿，但它與電動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器人一樣。兩輪自平衡控制系統是一種兩輪左右平行布置的，像傳統的倒立擺一樣，本身是一個自然不穩定體，必須施加強有力的控制手段才能使之穩定。因為兩輪平衡車具有運動靈活、智能控制、操作簡單、節省能源、綠色環保、轉彎半徑為零等優點，所以它適用于在狹小空間內運行。
雙輪平衡車的工作原理，非常類似于我們人體自身的平衡系統。就我們的人體而言，當身體重心前傾時，為了保證平衡，我們需要往前走；而當重心后傾時，我們需要往后走，其中也是同樣的道理。
當我們在駕駛平衡車的時候，平衡車的兩個輪子就代替了雙腳。與身體的平衡系統非常類似，當我們的重心前傾時，智能系統就會自動感應到，并精確地驅動輪子向前運動，以保持平衡；同樣地，當我們身體的重心后傾時，輪子就會向后運動。
這套工作原理被稱為“動態平衡”原理，這也是平衡車被叫做“平衡車”的原因；有時也被叫做“體感車”，這是因為它能感應身體重心的變化，因駕駛者姿態的變化而改變行駛狀態；有時也被叫做“思維車”，這是因為它能夠智能感應重心變化、智能調整姿態和運行狀態。
平衡車利用“動態平衡”原理，采用第二代運動補償算法，利用其內部的陀螺儀和加速度傳感器，來精確檢測車體姿態的微小變化，并利用精密的伺服控制系統，靈敏地驅動電機，進行相應的調整，以保持整個車體的穩定和平衡。
當我們旋轉方向操縱桿時，運行系統會相應地控制左右兩邊的速度差，以此來實現車體的轉向。因此在騎行過程中，將方向操縱桿指向您需要前進的方向時，車體將會朝著我們指向的方向行駛。當方向操縱桿處于車體正中間位置時，系統將朝正前方行駛。并且在轉向時，如果身體跟隨方向操縱桿傾斜的方向傾斜，那么我們將會獲得更好的轉向體驗。
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。
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