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陀螺仪是如何让平衡车成为一个“不倒神器”?

导读: 曾几何时,在马路上时不时的冒出一辆平衡车来,那些“小哥哥”、“小姐姐”依靠自身的平衡感穿梭于大街小巷,不明真相的人们以为TA们很“炫酷”,其实不然,这一切的神奇来源于一个小巧玲珑的器件----陀螺仪。

曾几何时,在马路上时不时的冒出一辆平衡车来,那些“小哥哥”、“小姐姐”依靠自身的平衡感穿梭于大街小巷,不明真相的人们以为TA们很“炫酷”,其实不然,这一切的神奇来源于一个小巧玲珑的器件----陀螺仪。

陀螺仪是如何让平衡车成为一个“不倒神器”?

陀螺仪是一种用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时,可以把它看成是一个刚体,刚体上有一个万向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动,所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。它是一个应用很广的器件,在很多领域都有广泛运用,航空、手机、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域都可以看到它的身影,今天笔者带大家认识一下陀螺仪在平衡车上的应用和工作原理。

一、陀螺仪的工作原理

陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。

陀螺仪的工作原理是高速旋转的物体的旋转轴,对于改变其方向的外力作用有趋向于垂直方向的倾向。当旋转物体在横向倾斜时,重力会向增加倾斜的方向作用,而轴则向垂直方向运动,就产生了摇头的运动。陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时,由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力,陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。

陀螺仪的基本部件有三大部分:一是陀螺转子,经常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转,并见其转速近似为常值;二是内、外框架,它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构;三是力矩马达、信号传感器等相关配件。

二、陀螺仪在平衡车上的应用

陀螺仪是如何让平衡车成为一个“不倒神器”?

平衡车之所以能这么风风火火,陀螺仪的作用不言而喻,我们骑行在车上,全凭它的感知,然后通过复杂的计算控制程序来确实各种平衡性,现在的电动独轮车里面的陀螺仪也是一个电子元器件了,而不是一个硬件设备了。

电动独轮车内置陀螺仪传感器,利用该传感器,车载驱动电路上的CPU会以每秒200次的速度计算车身的前后平衡,如果身体重心向前倾斜,前方数值大于后方,此时CPU就会发出指令给驱动电路上的传感器,调整电机转动方向与速度,让电机向后方转动,车辆向前,反之,车辆向后,身体向前倾斜的越厉害,速度就越快;而向左和向右倾斜身体是转弯。

平衡车是靠电机驱动的,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。速度则是由倾斜程度来控制的,想要加速则向前倾,减速则向后倾。有能力做到自身平衡是最令人吃惊的地方,而这一点也是操作的关键所在。要想弄明白这个系统的工作原理,最好考虑一下制作这个设备的模型——人体。

如果你站起来,向前倾身而失去了平衡,但是你可能不会摔个大马趴。你的大脑知道你失去了平衡,因为你内耳中的液体移动了位置。因此,它促使你的腿向前迈,防止你摔倒。如果你的身体一直往前倾斜,你的大脑会持续让你的腿向前迈,让你保持直立姿势。结果是你没有摔倒,而是往前走了,一次走一步。

它的工作原理与此大体相同,不同的是它有轮子而不是人腿,有一个马达而不是肌肉,有一组微处理器而不是大脑,有一套复杂的倾斜传感器和陀螺传感器而不是内耳平衡系统。

三、陀螺仪与平衡车的渊源

陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,但直到现在,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。

平衡车的运作原理主要是建立在一种被称为“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势状态,透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。

可以说平衡车这个曾经风靡一时的神器让大家认识了陀螺仪,但也正是陀螺仪的特性让平衡车成为“不倒神器”,大放异彩。

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