解密小米即將發(fā)布的平衡車工作原理

 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(jià)格屠夫的小米也來湊熱鬧。4月10日，小米向媒體發(fā)布邀請函，15日將舉行發(fā)布會。邀請函上出現(xiàn)了一個(gè)指南針圖形，暗示將與導(dǎo)航類的產(chǎn)品有關(guān)。

但從邀請函上的納恩博字樣我們不難發(fā)現(xiàn)，小米此次推出的新品應(yīng)該為平衡車。

對于國內(nèi)大眾來說，初次開始了解電動平衡車還要追溯到2008年奧運(yùn)會。當(dāng)時(shí)，場館里的警衛(wèi)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(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，雷鋒網(wǎng)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?

獨(dú)輪平衡車的工作原理

電動獨(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量，角動量能夠抵抗外力矩，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，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，自平衡電動獨(dú)輪車加以改進(jìn)，靠電機(jī)驅(qū)動的，采用陀螺儀與驅(qū)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(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量由地球引力作用或者物體運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度。只需要測量其中一個(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，車直立時(shí)，固定加速度器在X軸水平方向，此時(shí)輸出信號為零偏電壓信號。當(dāng)車發(fā)生傾斜時(shí)，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(shí)際車運(yùn)行過程中，由于平衡車本身的運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度會產(chǎn)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(zhǔn)確反映真正的傾角。因此對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：

陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)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(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)，可以工作很長時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(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)情況下使用效果會好一些，陀螺儀在動態(tài)情況下使用，效果會好一些。此時(shí)，就需要一種算法，來將這兩種信號進(jìn)行有效融合，才能獲取準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。

所以電動獨(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)動方向和轉(zhuǎn)速，這樣就保持了一個(gè)動態(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)動靈活、智能控制、操作簡單、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)我們在駕駛平衡車的時(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)就會自動感應(yīng)到，并精確地驅(qū)動輪子向前運(yùn)動，以保持平衡;同樣地，當(dāng)我們身體的重心后傾時(shí)，輪子就會向后運(yùn)動。

這套工作原理被稱為“動態(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)?ldquo;動態(tài)平衡”原理，采用第二代運(yùn)動補(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，那么我們將會獲得更好的轉(zhuǎn)向體驗(yàn)。

平衡車不僅擁有時(shí)尚動感的炫酷外觀，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)。