“不倒神器”平衡車的秘密全在它

曾幾何時，在馬路上時不時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”，其實不然，這一切的神奇來源于一個小巧玲瓏的器件----陀螺儀。

陀螺儀是一種用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。它是一個應用很廣的器件，在很多領域都有廣泛運用，航空、手機、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控等領域都可以看到它的身影，今天筆者帶大家認識一下陀螺儀在平衡車上的應用和工作原理。

一、陀螺儀的工作原理

陀螺儀器最早是用于航海導航，但隨著科學技術的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應用。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控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。

陀螺儀的工作原理是高速旋轉的物體的旋轉軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。當旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產(chǎn)生了搖頭的運動。陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產(chǎn)生歲差運動。

陀螺儀的基本部件有三大部分：一是陀螺轉子，經(jīng)常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值;二是內、外框架，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構;三是力矩馬達、信號傳感器等相關配件。

二、陀螺儀在平衡車上的應用

平衡車之所以能這么風風火火，陀螺儀的作用不言而喻，我們騎行在車上，全憑它的感知，然后通過復雜的計算控制程序來確實各種平衡性，現(xiàn)在的電動獨輪車里面的陀螺儀也是一個電子元器件了，而不是一個硬件設備了。

電動獨輪車內置陀螺儀傳感器，利用該傳感器，車載驅動電路上的CPU會以每秒200次的速度計算車身的前后平衡，如果身體重心向前傾斜，前方數(shù)值大于后方，此時CPU就會發(fā)出指令給驅動電路上的傳感器，調整電機轉動方向與速度，讓電機向后方轉動，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彎。

平衡車是靠電機驅動的，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，而這一點也是操作的關鍵所在。要想弄明白這個系統(tǒng)的工作原理，最好考慮一下制作這個設備的模型——人體。

如果你站起來，向前傾身而失去了平衡，但是你可能不會摔個大馬趴。你的大腦知道你失去了平衡，因為你內耳中的液體移動了位置。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，你的大腦會持續(xù)讓你的腿向前邁，讓你保持直立姿勢。結果是你沒有摔倒，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，有一個馬達而不是肌肉，有一組微處理器而不是大腦，有一套復雜的傾斜傳感器和陀螺傳感器而不是內耳平衡系統(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，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，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)定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉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。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

平衡車的運作原理主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。以內置的精密固態(tài)陀螺儀來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當?shù)闹噶詈?，驅動馬達來做到平衡的效果。

可以說平衡車這個曾經(jīng)風靡一時的神器讓大家認識了陀螺儀，但也正是陀螺儀的特性讓平衡車成為“不倒神器”，大放異彩。