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电动滑板车如何能自动平衡? 精选

已有 1591 次阅读 2021-5-23 16:43 |系统分类:科普集锦

2015年11月,美国《Time》周刊公布该年 25 件最佳发明之一是一个能自动平衡的电动滑板车。这个由底板和一对车轮组成的简单玩意有着惊人的平衡能力。站立在底板上的骑手能自动保持直立状态,脚底稍做动作就能自由自在地前进后退、左转右转而无跌倒之虑(图 1)。这个美国发明但在中国制造的产品很快成为一种新时尚,成为青年族群的新宠。

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1 滑板玩家的新宠


这个称为 “双轮自平衡滑板车” 的发明可视为滑板的升级产品(图 2)。在博文 “靠双脚扭动前进的滑板驱动力来自何处” 里,曾详细讨论过称作 “活力板” 的双轮滑板(图3)。比较图 2和图 3可看出,两种滑板都由两部分构成,中间用圆柱铰联结。两部分底板都能绕联结轴自由转动。但两种滑板的差别也很明显。活力板的两部分前后并列,而自平衡滑板改为左右并列。活力板的小车轮安装在车架上,车架能绕底板下的倾斜轴转动。而自平衡滑板的车轮加得更大,而且直接安装在底板上,旋转轴与联结轴是同一根轴。活力板沿底板转轴的方向行进,而自平衡滑板车的行进方向与底板的转轴正交


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双轮自平衡滑板车


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3 活力板


在博文 “独轮车和赛格威车为何直立不倒” 里,曾讨论过赛格威车的稳定性(图 4)。将赛格威车的车轮缩小,去掉控制行进方向的操纵手柄,底板分成左右两块,赛格威车就演变成两轮自平衡滑板车(图 1)。因此双轮自平衡滑板车实际上就是赛格威车的缩小版。它的另一个名称就是“无手柄的赛格威车”。


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4   赛格威车


赛格威车利用手柄控制左右车轮的驱动电机。向前推动加速,向后拉动减速。自平衡滑板车省去了手柄,其功能由左右分离的底板代替。利用驾车人的脚底偏脚趾或偏脚跟对底板施力使底板倾斜。当两侧底板同时向前倾斜时加速,向后倾斜时减速。若控制两侧底板朝相反方向倾斜,一侧向前另一侧向后,则左右车轮一侧加速另一侧减速,则车体绕垂直轴旋转以完成转弯动作。

自平衡滑板车对骑手站立稳定性的控制与赛格威车完全相同。加速度计安装在左右两部分底板上,当骑手连同底板偏离垂直轴时,检测加速度信息 a和 ay 通过控制系统转换为底板的倾斜角 θ 信息,输送至驱动电机。自动使人体向前倾斜时加速,向后倾斜时减速,就能对骑手的站立状态产生同样的稳定效果

与活力板不同,自平衡滑板车的骑手不需要利用 “脚轮效应” 获得前进动力,形成蜿蜒游动的蛇行方式。而是直接对车轮施加力矩,完成前进、后退和转弯等各种动作,同时维持骑手的站立稳定。所有的控制动作都由控制系统和电机执行而免去体力消耗。因此驾驶自平衡滑板更容易也更省力。

差不多在同一时间,美国人多克森(Doerksen,K)发明了比双轮滑板车更简单也更时尚的,称为 “Onewheel” 的 “独轮自平衡滑板车”(图 5)。据报导,独轮自平衡滑板车也在我国常州菲思特公司独立研制成功,于2015年8月在国内取得专利。这个新产品的驾驶方法和稳定性原理与双轮自平衡滑板车基本相同,但构造更为简单。在钢制框架的中心仅安装一只粗壮的橡胶轮,前后各装有一片木踏板。骑手站立在车轮前后两侧,向前板或向后板发力。利用加速度计测出的加速度信息通过控制系统对车轮施加力矩。以实现向前板发力时加速,向后板发力时减速,达到与双轮自平衡滑板车相同的目的(图 6)。


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5  独轮自平衡滑板车


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图6   独轮滑板车上的骑手


与两轮车不同,独轮车不能施加绕垂直轴的控制力矩使单轮车转弯。需要转弯时,骑手利用与驾驭滑雪板或冲浪板类似的技巧,向左侧或向右侧倾斜身体时,车体随之倾斜,重力与支承力构成的力偶使车轮的动量矩进动,产生绕垂直轴的角速度完成转弯动作。亦即利用了与自行车类似的“陀螺效应”。旋转中的厚重独轮车车轮的动量矩明显大于自行车的前轮,陀螺效应也更为明显(可参阅博文 “自行车的发明简史及力学原理” 里关于陀螺力矩的说明)。单轮滑板车虽能完成双轮车的所有动作,但驾驶难度明显加大,骑手需要掌握更多的技巧才能熟练驾驶。

作为赛格威车演变出的又一小型化产品,独轮自平衡滑板车也可视为杂技表演的独轮车升级改造的自动化新车型。赛格威车原来的功能是作为一种方便的交通工具。缩小成双轮或独轮自平衡滑板以后,原来的交通工具转变成一种时尚的体育器械,获得更多人的喜爱。自平衡滑板以独特的骑行体验曾获得“悬浮滑板”(Hoverboard)更响亮的称号。虽然这个称呼并不准确,因为它脱离不了轮子的地面约束,不能真正离地悬浮起来。但它能使骑手感受到自由自在的飞翔般的飘浮感觉。因此尽管价格不菲,但刚一亮相就成为年青族群趋之若鹜的时尚也就不以为怪了。


   (改写自:刘延柱. 缩小的赛格威车—谈自平衡滑板,力学与实践,2017,39(2): 208-210

    刘延柱. 趣味刚体动力学(2), 3.11. 北京:高等教育出版社,2018


附录:双轮自平衡滑板车的动力学分析


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