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摔要摔得明白——兼谈电动独轮车的基本原理

平衡车行情2016/7/18 18:35:46平衡车在线

导读:电动独轮车这么方便,为什么还有这么多人扑街?新司机一律说是这个车不好,突然断电了;或者是碍于面子不承认自己有什么不对。老司机经常讲一句话,“独轮车扑街90%以上是人的原因,10%以下才是车的原因”。这么讲有什么理由?

在科技飞速发展的今天,交通拥堵在很多大中城市也成了普遍现象,市面上出现了一些时尚、便捷的电动独轮车,让您享受穿梭于闹市的轻松与快乐以及上下班的快捷。同时,越来越多的人对于电动独轮车的安全性提出了质疑,广大车友给独轮车摔跟头取了个形象的名字——扑街。

电动独轮车这么方便,为什么还有这么多人扑街?新司机一律说是这个车不好,突然断电了;或者是碍于面子不承认自己有什么不对。老司机经常讲一句话,“独轮车扑街90%以上是人的原因,10%以下才是车的原因”。这么讲有什么理由?本文试图从电动独轮车的基本原理入手,与大家一起探讨一下摔车的原因,即使摔车也要摔得明明白白。

为什么你会扑街?

从简化的模型来看,电动独轮车的工作流程分为一个原理、三个核心和五大部分。

摔要摔得明白——兼谈电动独轮车的基本原理

电动独轮车主要有控制器(或称作智能芯片、固件)、陀螺仪(或称作姿态传感器、角速度传感器)、电机(执行器)三个核心部件。

根据目前流传比较广泛的文献来看,电动独轮车的运行原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上,利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器,来检测车体姿态的变化,并利用伺服控制系统,精确地驱动电机进行相应的调整,以保持系统的平衡。这个所谓的“动态稳定”也并不是什么新的理论,尽管这个理论本身还在不断完善,但是不影响它的实际应用,比如你骑自行车,其实越慢越不好稳定骑行。

用更简易的不精确的语言来示意一下:当人体(1)倾斜身体时,陀螺仪(2)检测并输出相应姿态信息,控制器(3)得到到这个信息后,命令电机(4)向相应方向旋转,从而带动独轮车的(5)运动,这样完成一个周期。陀螺仪按一定频率不停地检测车子姿态,并输出姿态信息到控制器,控制器不停地调整电机的转速,这样就保持了一个动态的平衡。

那么这五个部分当中,最核心的三个部件陀螺仪(2)、控制器(3)和电机(4)恰好是最不容易出问题的,验证方法很简单,你摔车以后重新开机,如果这三部分出问题了,你根本不能重新启用该独轮车。

这个示意图当中,独轮车(5)其实是包含核心部件以及配件的整体,可能出问题的地方就是电池或者各种接线了,最有可能出现问题的恰恰是人(1)本身,人在知道基本原理的情况下骑行最为重要。

陀螺仪的原理:

下面分析一下陀螺仪(2)的基本原理:一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。所以螺旋仪是一种用来传感与维持方向的装置,基于角动量守恒的理论设计出来的。 陀螺仪一旦开始旋转,由于转子的角动量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

以下图为例:

摔要摔得明白——兼谈电动独轮车的基本原理

摔要摔得明白——兼谈电动独轮车的基本原理

第一个图是车体水平时候的状态,陀螺仪检测水平状态;第二个图是通过人体前倾达到前脚掌用力压住踏板,导致车体前倾状态,陀螺仪检测到有角速度变化。这时候陀螺仪会给控制器发出姿态变化信息,控制器驱动电机旋转,通过车轮的旋转试图让车体回归水平状态(第一个图),这样车体实现了前进。

如果不断的让踏板前倾,就是所谓的压板,车体就实现了加速前进。但是,如果人体前倾角度很大,导致人的重心移出脚踏板之外,脚踏板没有外力时,车体迅速达到了水平状态,陀螺仪检测车体姿态水平,控制器就不再需要让电机旋转了,车体只能依靠惯性前进。这时候你想想什么事情会发生呢?急加速扑街!如果在起步阶段,车速很小,这个还算能够避免,但是如果在正常骑行中,人来不及跑出去,必定会趴在地上;而且由于车的惯性,人并不是直接扑到,而是前进一段才会扑街。所以这种情况下,扑街的人往往觉得是车子突然失去平衡(俗称“软板”)。哪里是突然失去平衡?分明是你自己控制的结果,三大核心部件都在毫无差错的正常工作,你唯一能做的就是不要急加速。

摔要摔得明白——兼谈电动独轮车的基本原理

至于减速和拐弯,基本原理类似,所以不再重复描述,结论当然是不能急减速和急拐弯。

控制机的原理:

下面分析一下控制机(3)的基本原理:控制器本质上是写到主板上的一段程序,也就是说它本质上是软件。既然是软件,很多厂商就利用手机不断升级它,以消除部分BUG。很多车友关心车体最大速度问题,控制器得到速度传感器返回的速度到极值时候,会通过翘板、蜂鸣器报警等方式提醒骑行者。有些车友通过破解固件或者更换主板的方式,达到提高极值的目地,这样做就是图一时痛快,随时会面临扑街之痛,因为固件要与电机等其他部分配合才能正常使用。

电机的原理:

下面分析一下电机(4)的基本原理:车友最关注的参数是电机功率,单看这个参数,肯定是越大越好,但是电机功率越大,意味着重量越重,当然成本也越高。关于电机额定功率(实际能够输出的最大功率),如果需要的功率大于电机的额定功率,电机达不到这么大功率,那就会引起断电。高中电学有一个公式 P=UI(功率=电压电流),每节18650电池能够提供的电压3.7V-4.2V,功率越大需要输出的电流越大,但显然电池的放电电流也是有限值,尤其车子骑过一段时间后电压降低,最终能够达到的功率会越来越小,所以你也能知道为什么很多平衡车电量降低后没怎么加速就滴滴报警了(俗称“功率报警”),这时候你还企图加速,那只有断电的唯一选择。高中力学有一个公式 P=Fv=mav(功率=质量加速度速度),质量、加速度、速度,任何一个变量太大都会导致输出功率太大,也就说明了为什么同一台车子,瘦子反而比胖子骑行更安全,这里不是歧视胖子朋友,毕竟体重大还严重影响续航呢。这同时也说明速度过快可能断电,而且加速度太大(急加速)也可能会断电。

知道了三大核心部件的工作原理,也就明白了多于90%的扑街的人为什么摔车了。

劣质车导致扑街:

对于低于10%的人因为车的原因扑街,大概也能有一部分解释:一是车子贪图便宜,小作坊做工差,接线虚容易断开,或者电池太差,放电电流跟不上;二是盲目追求高性能车,让电机满负荷工作无冗余,导致瞬间所需功率大于额定功率;三是组装车,控制器与电机、陀螺仪不匹配,各种参数错误导致运行错误。

对于及其个别的案例,也就是真的意外:所有的电子产品或者机械产品都没法100%无故障,你遇到了,只能感慨运气不好了。

最后,希望大家在了解电动独轮车原理的前提下玩车愉快!

文:猫叔

本文地址:http://www.phczx.com/phchq/3232_0.html

责任编辑:徐梅

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