平衡车站立行走的技术分析

2015-03-20 12:24:00 来源:中国商业电讯

    自从智能设备在国内风靡的时候,平衡车逐渐进入了大众的生活,不少人看到这种两个轮子直立行走的小车之后,未免有点怀疑,这家伙是怎么站起来的,两个轮子不是会倒吗?这样会不会不安全?今天我就给大家科普一下这个平衡车是怎么保持平衡的。

    有一种两轮车就会出现这样的情况……自行车就是这样站起来的!它有三个点支撑!!!所以,我们看到,一个物体要保持直立的平衡状态,至少要三个支点才能保持平衡,当物体跟地面接触点少于三个,重心不稳定,就可能受地球引力作用而朝某个方向倒下。当这个自行车独自“站”起来的时候,它有三个支点,所以,它就是一个静态的平衡体。

    专家来解释下:如果物体能够不断地自动调整自己的重心,让物体不断获得平衡,就能一直维持当前姿态。这就是另一种平衡姿态:动态平衡。两轮平衡车就是一种两个支点的动态平衡体。

    我们可以自己做个实验,通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立,大家很容易可以做到,或者说至少能维持一定时间。但是在这个实验的过程中,大家有没有发现,这需要两个条件:一个是托着木棒的手掌可以移动;另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势(角加速度)。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势,从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可,这实际上就是控制中的负反馈机制(对于一个反应的结果,机制接收了结果后,继续促进这个反应,就是正反馈;反过来抑制这个反应,就是负反馈)。世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己手指上直立,因为没有了负反馈。

    平衡车直立也是通过负反馈实现的。但相对于上面的木棒直立有细微不同。因为平衡车有两个轮子着地,因此车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。通过内置的精密陀螺仪、速度传感器和重力传感器等精密的传感器,平衡车不停的监测车体的姿态与速度变化,反馈给车载计算机,计算机基于运动学和动力学数学模型等算法,设计最优化控制车轮转动来保证平衡车的稳定,控制轮子转动,抵消倾斜的趋势便可以保持车体直立了。而正是由于算机每秒上万次的频率控制两个独立的轮子,所以,平衡车远远比我们人在手掌上竖立木棒来的稳定和舒适。简单来说,内置的传感器就是平衡车的眼睛,而动力系统就是平衡车的手掌。有了这个火眼金睛“眼睛”和以毫秒计时“手掌”不断的监测和调整重心,它当然就能保持稳定站立的姿态了。

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