“不倒神器”平衡車的秘密全在它

曾幾何時(shí)，在馬路上時(shí)不時(shí)的冒出一輛平衡車來，那些“小哥哥”、“小姐姐”依靠自身的平衡感穿梭于大街小巷，不明真相的人們以為TA們很“炫酷”，其實(shí)不然，這一切的神奇來源于一個(gè)小巧玲瓏的器件----陀螺儀。

陀螺儀是一種用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。它是一個(gè)應(yīng)用很廣的器件，在很多領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用，航空、手機(jī)、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都可以看到它的身影，今天筆者帶大家認(rèn)識(shí)一下陀螺儀在平衡車上的應(yīng)用和工作原理。

一、陀螺儀的工作原理

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。

陀螺儀的工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)。陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。

陀螺儀的基本部件有三大部分：一是陀螺轉(zhuǎn)子，經(jīng)常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值;二是內(nèi)、外框架，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu);三是力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等相關(guān)配件。

二、陀螺儀在平衡車上的應(yīng)用

平衡車之所以能這么風(fēng)風(fēng)火火，陀螺儀的作用不言而喻，我們騎行在車上，全憑它的感知，然后通過復(fù)雜的計(jì)算控制程序來確實(shí)各種平衡性，現(xiàn)在的電動(dòng)獨(dú)輪車?yán)锩娴耐勇輧x也是一個(gè)電子元器件了，而不是一個(gè)硬件設(shè)備了。

電動(dòng)獨(dú)輪車內(nèi)置陀螺儀傳感器，利用該傳感器，車載驅(qū)動(dòng)電路上的CPU會(huì)以每秒200次的速度計(jì)算車身的前后平衡，如果身體重心向前傾斜，前方數(shù)值大于后方，此時(shí)CPU就會(huì)發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)電路上的傳感器，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與速度，讓電機(jī)向后方轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛向前，反之，車輛向后，身體向前傾斜的越厲害，速度就越快;而向左和向右傾斜身體是轉(zhuǎn)彎。

平衡車是靠電機(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)。速度則是由傾斜程度來控制的，想要加速則向前傾，減速則向后傾。有能力做到自身平衡是最令人吃驚的地方，而這一點(diǎn)也是操作的關(guān)鍵所在。要想弄明白這個(gè)系統(tǒng)的工作原理，最好考慮一下制作這個(gè)設(shè)備的模型——人體。

如果你站起來，向前傾身而失去了平衡，但是你可能不會(huì)摔個(gè)大馬趴。你的大腦知道你失去了平衡，因?yàn)槟銉?nèi)耳中的液體移動(dòng)了位置。因此，它促使你的腿向前邁，防止你摔倒。如果你的身體一直往前傾斜，你的大腦會(huì)持續(xù)讓你的腿向前邁，讓你保持直立姿勢(shì)。結(jié)果是你沒有摔倒，而是往前走了，一次走一步。

它的工作原理與此大體相同，不同的是它有輪子而不是人腿，有一個(gè)馬達(dá)而不是肌肉，有一組微處理器而不是大腦，有一套復(fù)雜的傾斜傳感器和陀螺傳感器而不是內(nèi)耳平衡系統(tǒng)。

三、陀螺儀與平衡車的淵源

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。

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，也就是車輛本身的自動(dòng)平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀來判斷車身所處的姿勢(shì)狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅?qū)動(dòng)馬達(dá)來做到平衡的效果。

可以說平衡車這個(gè)曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的神器讓大家認(rèn)識(shí)了陀螺儀，但也正是陀螺儀的特性讓平衡車成為“不倒神器”，大放異彩。