《电工电子学》课外拓展阅读报告

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——探索电动平衡车






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201612




近日,一种奇特的交通代步工具越来越多地出现在街头,吸引了不少市民的目光。一块脚踏板,两个轱辘,一根操作杆,这种两轮的新型交通工具就现在刷爆朋友圈的平衡车,它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式或是独轮的形式。在外观上,两者具有天壤之别,但实际上他们的核心工作原理是一样的,其中两轮电动平衡车采用两个轮子支撑,蓄电池供电,无刷电机驱动,加上单片机控制,姿态传感器采集角速度和角度信号,共同协调控制车体的平衡,仅仅依靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。由于平衡车作为家族中的新成员,并未被大家所熟知,本文就此对平衡车的现状、功能、原理等方面做一简单介绍。

关键词:平衡车 动态稳定 陀螺仪
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引言:
平衡车是什么?在平衡车还没有普及开来,况且人们脑海中印象深刻的电动摩托车,动自行车正大行其道的这么一个时代里,大多数人对于什么是平衡车这个概念还是比较模糊的,或者至少大多数人还未真正的接触过平衡车。
其实,平衡车并不是一个新事物,在国外,平衡车原名为摄位车(Segway,它最初由国外音译而来,在国内也叫体感车、思维车、平衡车、火星车等。它是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人运输载具,是都市交通工具的一种。摄位车由美国发明家狄恩卡门(Dean Kamen与他的DEKA研发公司(DEKA Research and Development Corp.团队发明设计,并创立了摄位车责任有限公司(Segway LLC.,后改为赛格威公司(Segway.INC
摄位车的产品名称“Segway”起源于英文单字“Segue,意指“流畅平顺地走”,用来形容这种交通工具可以让人们骑着在都市里面毫无障碍地移动。其操作是以锂电池为驱动,利用物理学的“动态平衡原理”,通过电脑芯片控制其行进或转向。当身体移动时,动作中的重心会不断改变,并达到平衡,前进、后退、拐弯、刹车,一切均由身体控制。[1] 由于摄位车是一种前所未见的崭新交通工具,因此很难用传统的分类方式定义它的种类。有人认为摄位车应该是一种双轮版的单轮车(Unicycle,有人认为它应该是动力滑板车(Stand-upScooter的一种,但它是单轴双轮设计,与双轴双轮的传统滑板车有些不同。 些比较正式的场合(例如官方的道路法规中,摄位车这种交通工具又被称作“电动个人辅助机动装置”(Electric Personal AssistiveMobility Device, EPAMD,俗称电动代步车。到2013年薄瓜瓜事件中济南中院称其为”电动平衡车“之后,人们对这种平衡车的认知和叫法上才逐渐统一起来,所以当时就有人说济南中院对平衡车这个行业做了贡献。
1 起源
说起创作平衡车的灵感,这里还有一个有趣的故事:赛格威(平衡车)的诞生和起源,最早是起因于迪恩卡门的DEKA与美国大型医疗器材生产商强生(Johnson& Johnson的子公司独立科技(Independence Technology所合作开发的一种自动平衡式动力轮椅--iBOT门观察人类走路的姿势特性,领悟到其实人类之所以可以平稳地直立行走,是因为体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量,透过小脑的即时反应,然后利用腿部的肌肉即时出力来平衡倾倒的态势。所以当人类的身体前倾时,这种不自主的反应会促使人类伸出其中的一只脚往前踩来平衡身体,所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环,即构成了“步行”这种动作。
因此卡门尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官,以电动马达与车轮代替人类的双脚,发展出所谓的“动态稳定”概念,并且由强生获得这种技术在医疗领域商业销售的专利权,成立独立科技来销售iBOT。有别于专门提供给残障或老弱人士使用、价位高昂的动力轮椅,卡门进一步想到,如果将一样的理念拿给行动正常的一般人使用未尝不可,于是开始有了赛格威的诞生概念。


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平衡车进入中国比较晚,直到2006820068月–Segway产品正式进入中国,落地北京!Segway Inc在中国大陆地区有了唯一的代理商。20088-Segway亮相北京奥运会,由成龙出席发布会并向外界公布安全保障工作进展。200810-广州灵动正式接棒赛格威在中国大陆地区的经销权,正式成为Segway Inc在中国的总代理。
2 工作原理

很多人好奇平衡车是如何保持平衡的,从百度来看的信息是这样的说的:其工作原理主要建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上,也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿态状态,通过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后,驱动马达来做到平衡的效果。
这看起来会让人觉得很高深的样子,其实,如果将其分解开来,其核心思想便是“动态稳定”。且主要通过两个主要结构实现。
2.1 电动独轮车不倒的原理
一方面是由于人能够调整重心,调整车前行的方向,车前行的方向发生转变由于惯性就能平衡重力的侧翻力矩。还有重要的一点是高速旋转的轮子具有较大的角动量,角动量能够抵抗外力矩,就好比陀螺不倒一样。在大学物理里,这种现象叫进动,自传体能把外力矩的方向旋转90度。在这里就是轮子把侧翻力矩变成使自行车转向的力矩。 利用电机来加强改进平衡: 在此基础上,自平衡电动独轮车加以改进,靠电机驱动的,采用陀螺仪与驱动电路控制保持不倒。把身体向前倾斜就可以启动。速度则是由身体的倾斜程度来控制的,想要加速则向前倾,减速则向后倾。抛开人的主动操控,独轮平衡车保证正常工作一定离不开加速度传感器和角速度传感器(陀螺仪) 加速度传感器。
加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。只需要测量其中一个方向上的加速度值,就可以计算出车倾角。比如使用X轴向上的加速度信号,车直立时,固定加速度器在X轴水平方向,此时输出信号为零偏电压信号。当车发生倾斜时,重力加速g便会在X轴方向形成加速度分量,从而引起该轴输出信号的变化。 但在实际车运行过程中,由于平衡车本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上,使得输出信号无法准确反映真正的倾角。因此对于直立控制所需要的姿态信息不能完全由加速度传感器来获得。 角速度传感器。
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。平衡车上安装陀螺仪,可以测量车倾斜的角速度,将角速度信号进行积分处理便可以得到车的倾角。 平衡车的核心部件: 谈到平衡我们就不得不说到陀螺仪,陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。其实,它离我们并不远,我们平时骑自行车其实也是利用了这个原理。


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轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。加速度和角速度两个传感器都无法单独获得动态情况下的准确,稳定的姿态,但是这两种传感器具有互补性,即加速度传感器,在静态情况下使用效果会好一些,陀螺仪在动态情况下使用,效果会好一些。此时,就需要一种算法,来将这两种信号进行有效融合,才能获取准确的姿态信息。
所以,电动独轮平衡车主要通过控制器(智能芯片)姿态传感器(陀螺仪)执行器(电机)三部分来实现平衡。当驾驶者倾斜身体时,姿态传感器输出相应姿态信息,控制器感知到这个信息后,命令电机向相应方向旋转,姿态传感器按一定频率不停地测量车子姿态,输出姿态信息到控制器,控制器不停地调整电机的转动方向和转速,这样就保持了一个动态的平衡。
2.2 双轮平衡车的工作原理
与独轮平衡车相比,双轮最大的区别便是多了一个轮子和操纵杆,但它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同,而是采用两轮并排固定的方式,就像一种两轮平行的机器人一样。两轮自平衡控制系统是一种两轮左右平行布置的,像传统的倒立摆一样,本身是一个自然不稳定体,必须施加强有力的控制手段才能使之稳定。因为两轮平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为零等优点,所以它适用于在狭小空间内运行。




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双轮平衡车的工作原理,非常类似于我们人体自身的平衡系统。就我们的人体而言,身体重心前倾时,为了保证平衡,我们需要往前走;而当重心后倾时,我们需要往后走,其中也是同样的道理。
当我们在驾驶平衡车的时候,平衡车的两个轮子就代替了双脚。与身体的平衡系统非常类似,当我们的重心前倾时,智能系统就会自动感应到,并精确地驱动轮子向前运动,以保持平衡;同样地,当我们身体的重心后倾时,轮子就会向后运动。


这套工作原理被称为“动态平衡”原理,这也是平衡车被叫做“平衡车”的原因;有时也被叫做“体感车”,这是因为它能感应身体重心的变化,因驾驶者姿态的变化而改变行驶状态;有时也被叫做“思维车”,这是因为它能够智能感应重心变化、智能调整姿态和运行状态。
平衡车利用“动态平衡”原理,采用第二代运动补偿算法,利用其内部的陀螺仪和加速度传感器,精确检测车体姿态的微小变化,并利用精密的伺服控制系统,灵敏地驱动电机,进行相应的调整,以保持整个车体的稳定和平衡。 当我们旋转方向操纵杆时,运行系统会相应地控制左右两边的速度差,以此来实现车体的转向。因此在骑行过程中,将方向操纵杆指向您需要前进的方向时,车体将会朝着我们指向的方向行驶。当方向操纵杆处于车体正中间位置时,系统将朝正前方行驶。并且在转向时,如果身体跟随方向操纵杆倾斜的方向倾斜,那么我们将会获得更好的转向体验。[2] 2.3 电动平衡车的特点
目前大部分市面上的电动平衡车,占道面积等同中等体型人的宽度,因此对于现代拥挤(Segue Human Transporter。平衡车电动车采用蓄电池供电,对环境完全无污染,绝对绿色环保,并可以反复充电使用,单次充电可保证20-70km的续航里程,最高时速可达20km
此外,产品大多装配有三到五个精密固态传感仪,配合车辆控制,采用垂直转向设计,比较人体的操作习惯;支撑车把手的铝制杆能调节到不同高度,驾驶者可将夹子固定在杆上,

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用来携带包或其他物品。
而且,相对传统代步工具,电动平衡车的机动性比较强,因为其转弯半径很小,基本接 0。这样就非常适合在小空间范围内使用。比如:大型商场、羊肠小道、人才市场、车间等。 最重要的是,它无刹车系统,由陀螺仪检测角速度信号,加速度计检测角度信号,然后融合得到两轮电动平衡车的精确角度信号,最后传输到单片机,让单片机的 PWM模块控制两轮电动平衡车的电机正反转。这样既避免了能源浪费,又可以避免对刹车片的磨损。
最后,控制极其方便,仅通过身体的前后倾斜就可以改变两轮电动平衡车的前进后退以及运行速度,比传统的汽车方便灵活的多。 [3]
3 电动平衡车的现状与未来
3.1 现状 近几年来看,产业界、学术界,包括金融界,都对赛格威为代表的电动平衡车寄予厚望,认为它或许可以带来人类运输方式的变革。然而,电动平衡车的市场销售情况远不如预期。以下几个主要原因局限了电动平衡车的市场推广。 大公司的技术垄断。
我们很容易注意到,电动平衡车的高价让人望而却步。以入门级车型Segway i2为例,其售价高达5000美刀,相当于5125cc.等级速可达摩托车的价格。产品价格偏高,一方面原因在于电动平衡车本身采用的大量先进科技;另一方面,也在于SegwaySolowheel首的业内大公司的技术垄断。
事实上,包括电动摩托车这样的产品,从研发到真正的市场推广都需要一段比较长的时间,大公司必须通过技术专利垄断回收早期投资。因此,对于现在想要加入平衡车市场,抢占先机的新公司来说,只有两种选择:要么购买专利,要么自主研发。而对于消费者来说,短期内并不能期待捡到大便宜。
营销体制混乱。
在销售平台方面,大部分的电动平衡车采取通过官网、亚马逊等的网上消费方式,缺乏系统性的实体店,经销商运营远强势于厂商直营。一方面,这样难以取得客户信任;另一方面,导致伪劣产品大肆横行。另外,在维修体系方面,大多数的电动平衡车厂家都相当不成熟,没有认真考虑代理经销商售后维修能力。仅以Segway为例,诞生12年,消费者覆盖全世界大部分国家的情况下,任何Segway的损坏报修,都必须发回美国总部维修。
政府关系限制普及。
电动平衡车的设计理念就是不受限制地自由运行,然而很多国家都限制了它的使用方式。美国禁止平衡车行驶于人行道,而很多欧洲国家则完全禁止它在公共车道上运行,这与其最初的产品意愿是矛盾的。而日本、新加坡等国也为其制定了很多具体的交通法规限制。目前来说,我国尚未出台明确的相关法令法规,不过如果出现电动平衡车相关交通事故,

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故责任完全由平衡车车主承担。
国内平衡车厂商。
随着技术推广,产业链的逐步建立,技术本身已经不是瓶颈,然而,国内平衡车市场还是没能逃过中国式山寨怪圈。其实在平衡车的技术专利方面,基本上有美国的 SeagwaySolowheel分别割据单轮和双轮方面。即便如此,他们也无法将各大山寨、代工、OEM逐个起诉。这样导致的结果就是,国内电动平衡车市场高度碎片化,几个大品牌忙于打专利官司,众多的小品牌则趁机浑水摸鱼。[4] 3.2 未来
伴随着我国平衡车行业的进一步发展,2014年我国平衡车产量达到100万台,2015平衡车产量将达到1550万台。预计未来几年,平衡车行业生产量将呈现出逐年增长态势,不过增长速度会放缓,据预测,到2022年行业产量将达到1820万台。



近几年我国平衡车市场需求量呈现逐年上升的趋势。相关应用技术的发展都对平衡车应用领域的进一步拓宽起到了积极作用,极大地带动了平衡车市场需求量的增加。2015年我国平衡车行业需求量达到193.15万台,预计到2022年我国平衡车行业需求量将达到607万台。[5] 4 结语
生活是向着智能化,便捷化的方向发展,电动平衡车符合这个趋势,顺应了时代的潮流,有着良好的发展前景。作为短途代步工具,能有效解决“最后一公里”问题的平衡车产业始2009年左右,几年间,这一行业可谓经历了“野蛮生长”它改变了人们对传统出行交通工具的观念,集“嵌入式+工业设计+艺术设计”的产品集成创新技术,以嵌入式技术提升产品的内在智能化,以适应当代产品数字化、智能化的趋势,实现由内而外的创新。但是,虽有改变世界的心,以赛格威平衡车的确价格不菲,要想使其使用率的普及,不仅需要研发公司的努力,同时也要政府牵头,完善相关政策和交通法律法规。
参考文献:
[1]平衡车发展史,来自网页,


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[2]独轮/双轮平衡车原理分析,百度文库,2016-4-28 [3]刘修龙 .基于CCD的自平衡小车的设计 ,河南大学 2014 [4]电动平衡车的市场状况以及发展前景,平衡车行情,平衡车在线,2015-4-16 [5]2016年中国平衡车产业供需规模现状及市场增速前景分析预测,中国产业信息网,2016-10-31



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本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/6da75c48cd1755270722192e453610661ed95af4.html

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