“不倒神器”平衡車(chē)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(chē)來(lái)，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T(mén)A們很“炫酷”，其實(shí)不然，這一切的神奇來(lái)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體的動(dòng)量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運動(dòng)檢測裝置。從力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)近似的分析陀螺的運動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著(zhù)這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉動(dòng)，所以陀螺的運動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉動(dòng)運動(dòng)。它是一個(gè)應用很廣的器件，在很多領(lǐng)域都有廣泛運用，航空、手機、航天、航海、兵器、汽車(chē)、生物醫學(xué)、環(huán)境監控等領(lǐng)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(chē)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(zhù)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)控制系統中的一個(gè)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(shí)，重力會(huì )向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運動(dòng)。陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時(shí)，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(xiàn)方向產(chǎn)生歲差運動(dòng)。

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(dòng)方法來(lái)使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見(jiàn)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(dòng)自由度的結構;三是力矩馬達、信號傳感器等相關(guān)配件。

二、陀螺儀在平衡車(chē)上的應用

平衡車(chē)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(chē)上，全憑它的感知，然后通過(guò)復雜的計算控制程序來(lái)確實(shí)各種平衡性，現在的電動(dòng)獨輪車(chē)里面的陀螺儀也是一個(gè)電子元器件了，而不是一個(gè)硬件設備了。

電動(dòng)獨輪車(chē)內置陀螺儀傳感器，利用該傳感器，車(chē)載驅動(dòng)電路上的CPU會(huì )以每秒200次的速度計算車(chē)身的前后平衡，如果身體重心向前傾斜，前方數值大于后方，此時(shí)CPU就會(huì )發(fā)出指令給驅動(dòng)電路上的傳感器，調整電機轉動(dòng)方向與速度，讓電機向后方轉動(dòng)，車(chē)輛向前，反之，車(chē)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(chē)是靠電機驅動(dòng)的，采用陀螺儀與驅動(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(lái)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)系統的工作原理，最好考慮一下制作這個(gè)設備的模型——人體。

如果你站起來(lái)，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，因為你內耳中的液體移動(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 )持續讓你的腿向前邁，讓你保持直立姿勢。結果是你沒(méi)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。

三、陀螺儀與平衡車(chē)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(shí)用的陀螺儀器問(wèn)世以來(lái)已有大半個(gè)世紀，但直到現在，陀螺儀仍在吸引著(zhù)人們對它進(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定性和進(jìn)動(dòng)性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現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定性。研究陀螺儀運動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動(dòng)力學(xué)特性。

平衡車(chē)的運作原理主要是建立在一種被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩定”的基本原理上，也就是車(chē)輛本身的自動(dòng)平衡能力。以?xún)戎玫木芄虘B(tài)陀螺儀來(lái)判斷車(chē)身所處的姿勢狀態(tài)，透過(guò)精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動(dòng)馬達來(lái)做到平衡的效果。

可以說(shuō)平衡車(chē)這個(gè)曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)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(chē)成為“不倒神器”，大放異彩。