基本介紹
- 中文名：電動獨輪車
- 外文名：self-balancing unicycle
- 操作方式：重心感應
簡介,研究現狀及分析,電動獨輪車駕駛步驟,駕駛5步走,嘗試站立,前行,轉彎,騎行安全,初學者建議,關鍵問題,注意事項,維護保養,
簡介
為了進一步緩解大氣污染和城市交通擁堵問題，小型化的短途交通工具也吸引著人們的關注，主要有電動腳踏車，電動機車，電動滑板車以及自平衡電動兩輪、獨輪車。其中，全球第一輛能夠自主平衡的兩輪移動交通工具，車體只有左右兩個驅動輪。人站上去之後，可以實現自平衡，駕駛者讓身體前傾或後仰，就能實現的前進、後退，這種車的套用場合廣，比如機場、火車站的警察巡邏。
自平衡電動兩輪和獨輪車由於機構的獨特性，在靜止狀態下不能實現平衡，必須採用動態平衡原理才能實現正常運動。與兩輪車相比，獨輪車與地面僅有一個接觸點，動態不平衡性更明顯，但在實用性上，獨輪車的占地面積較小，車體結構簡單，運動軌跡更靈活易變，可以適應更複雜的地面環境，具備更加廣闊的前景。自平衡載人電動獨輪車的控制模型來源於獨輪自平衡機器人，是一個高階次、多變數、強稿合的非線性系統，同時自平衡載人電動獨輪車的獨立運動變數的數目小於系統自由度的數目，其動力學方程中存在非完整約束，所以自平衡載人電動獨輪車也是一個欠驅動的非完整系統。正因為具備這些特殊性，對自平衡電動獨輪車的研究除了在於解決獨輪車使用過程中的一些問題以外，其控制策略為衛星飛行中的姿態控制、照相機防抖、火箭發射中的垂直度控制等實際系統提供了控制策略的方法論。因此，研究自平衡載人電動獨輪車控制策略不僅具有一定的實際套用價值，而且具有重要的理論研究價值。
研究現狀及分析
自平衡電動獨輪車屬於獨輪機器人套用實例的範疇，電動獨輪車的研究理論基礎來源於獨輪機器人，而且在研究內容上具有很多相似性，所以有必要對獨輪自平衡機器人進行一定的總結歸納。
1980，日本學者發明了第一個獨輪自平衡機器人系統，機器人的前後平衡是依靠輪子的轉動來維持，左右平衡是依靠左右伸展的長機械臂上的質量塊的移動來維持，雖然實驗效果並不好，但是拉開了獨輪自平衡機器人研究的序幕。隨後美國、日本等國開始關注獨輪自平衡機器人技術，在學術界和工業界中逐漸展開了相關研究工作。經過三十多年的研究，對於獨輪機器人的本體機械結構設計、動力學建模與分析，控制系統設計等方面取得了很大的成果。放眼國內，由於我國對獨輪機器人的研究工作起步較晚，與國外相比還存在一定的差距。
典型的獨輪自平衡機器人由於實現姿態平衡的原理不同，外形也存在著很大的差異，各國的學者研究的獨輪機器人可以分為：質量塊獨輪機器人、水平轉子獨輪機器人、垂直轉子獨輪機器人、高速陀螺儀獨輪機器人等。
質量塊獨輪機器人採納人在騎獨輪車過程中重心調整的原理，通過左右方向質量塊的移動或轉動來維持獨輪機器人的左右平衡。
日本東京大學在1995年研製了這種獨輪機器機器人的上半部分是由連線在一起的呈60°分布的三個質量塊抅成，下半部分模仿人騎獨輪車的過程，設計桿件1、2、3、4和車體構成兩個閉環鏈結構，這兩個閉環機構通過電機帶動上下運動，類似於人兩條腿交替運動，實現了獨輪機器人的前後運動。這些仿生結抅有利於實現機器人的姿態平衡。
整個系統在平衡點附近做線性化處理，然後將系統解耦為前後和左右兩個動力學子系統，單個系統模型較為簡單，採用了控制算法，實現了兩個方向上的平衡。但是實驗的結構並不理想，在平衡過程中存在較大的抖動。
北京郵電大學的郭嘉、廣啟征等人也設計了這樣一款獨輪車機器人。電機全部為步進電機，電機驅動圓盤轉動來調整車體航向；電機、調整配重塊的位置來調整車體橫滾角，實現左右平衡；電機、驅動車輪轉動來調整車體俯仰角，實現前後平衡和車體速度的控制。
郭蓋、廖啟征等人基於獨輪車的非線性動力學模型，控制算法的設計是以非線性系統的線性化理論為依據，實現了對於輸入的解耦，並搭建仿真系統驗證了控制算法的有效性，但是有待進一步實驗驗證。
水平轉子獨輪機器人在機器人頂端安裝一個水平慣性輪，機器人向一個方向傾倒時，慣性輪同向加速旋轉產生的扭轉力矩帶動機器人向此方向運動以此來保持機器人的平衡，非常類似於人騎獨輪車的調節過程。
史丹福大學在1987年設計了這樣一款獨輪機器人。機器人主要由機器人車架、車輪、水平轉子三部分抅成。水平轉子轉動時，類似於人在騎獨輪車時腰部軀幹和手臂的運動，以此保持獨輪機器人的平衡。
通過簡化系統動力學模型，將系統線性化，採用最優控制方法實現了獨輪機器人前後的平衡控制，沒有實現機器人左右平衡。後來，麻省理工大學的人對該模型的控制方法做了進一步的研究，推導了獨輪機器人的凱恩動力學方程，在航向角速度較低的情況下，將系統解耦為前後和側面方向的動力學方程，並提出了一種改進LQG結構的控制方法，實現了機器人的側向平衡，並使用控制器減小了偏航運動時非線性乾摩擦對側向平衡穩定性的影響。但是在航向角速度較大的情況下，獨輪機器人的前後和側向的非線性耦合是不能忽略的，對此他們並沒有進一步研究。這也是水平轉子獨輪機器人存在的缺陷，因為耦合效應強而導致姿態平衡控制難度較大。
美國加州大學在2007年研製了Unibot機器人。Unibot主要由車架、車輪、垂直轉子構成。通過車輪的滾動實現機器人的前後平衡，通過垂直轉子的轉動實現了機器人人的左右平衡。該獨輪機器人結合了輪式倒立擺理論和慣性輪倒立擺理論，對獨輪機器人的研發有很大的啟發。
韓國釜山大學的研究團隊從2011年也進行了垂直轉子獨輪機器人的相關研究。與美國加洲大學的研究方法一樣，聖山大學的學者將系統解耦為前後和左右兩個方向的子系統，控制方法採用PID和滑模控制算法。不僅實現了獨輪機器人的姿態平衡，而且也實現了機器人的速度跟蹤。但是研究並沒有涉及獨輪機器人的航向控制。
電動獨輪車駕駛步驟
使用者把腳分別放在輪子兩側的摺疊式踏板上以後，輕輕向前傾斜身體是前進，向後傾斜是減速，向左和向右傾斜身體是轉彎。身體向前傾斜的越厲害，速度就越快，車內的一系列迴旋裝置確保它能很好地保持平衡。
騎行電動獨輪車一共分為5步。仔紳閱讀並按照說明書指示開始學習，在前一步尚未掌握之前，不要輕易嘗試後面的步驟。這樣會有利於更快，更紮實的掌握騎行的基本技巧。
駕駛5步走
1）打開電源；
2) 一隻手抓住把手，將電動獨輪車直立於地面，並將兩個腳踏板展開；
3) 短按電源鍵可以將電動獨輪車電源打開，此時綠燈亮起；
4) 假如發現紅燈亮起，請不要嘗試騎行；
5) 推薦沿著輪子前進後退的方向前後拉動把手幾次，感受車輪加減速的力度。
嘗試站立
1) 將一隻慣用腳站到相應的腳踏板上，注意應該站在腳踏板中心位置，方便將整個身體重心轉移至該腳上。
2) 站立身體，站在腳踏板上的那隻腳註意控制電動獨輪車前後平衡，並用小腿靠緊機殼軟膠。
3) 將重心逐漸地轉移到在電動獨輪車的那隻腳上，過程中要求小腿，腳和電動獨輪車能組成穩定的三角支撐，否則將很難把重心移移到電動獨輪車上。在不能將重心成功轉移至電動獨輪車上的那隻腳，另一隻腳離開地面保持1-2秒鐘之前，強烈建議不進行下一步騎行。
前行
1) 初級前行：
像騎腳踏車那樣，將絕大部分重心轉移到電動獨輪車上，並且輕輕向前踩下腳踏板，同時地面上的那隻腳輕輕往後一蹬，電動獨輪車就會向前行走。就像在上一步保持單腳站立電動獨輪車的動作一樣，需要在騎行過程中儘量保持身體平衡，同時需要將地面上的那隻腳快速輕盈地放到另一個腳踏板上。這一步要求至少可以騎行3-5米的距離。
2) 中級前行：
走到這一步，已經基本可以正常駕駛電動獨輪車了。在這一步中需要注意兩個要點：保持一定的速度、通過前傾後仰來控制速度。建議在騎行過程中不斷積累經驗，不斷練習，在比較有信心可以保持騎行很長距離以後再進行下一步。
轉彎
關於轉彎：初學者都喜歡以轉動上身的方法來進行轉彎，但是那樣的操作效果不好。建議通過調整左右腳踩踏的力度來調整車體的左右傾斜程度進行轉彎，通過不斷地練習，會達到所期待的轉彎效果。
騎行安全
至此，相信已經學會了如何騎行電動獨輪車。但是還是建議一定要在逐漸了解車輛性能的基礎上，去逐漸挑戰沒有嘗試過的動作。電動獨輪車的動力是有限度的，超過限度電動獨輪車會無法支撐身體，導致從車上掉下來，所以務必要小心駕駛。
初學者建議
當您將要開始初次使用電動獨輪車時，請儘量身穿舒適的休閒或運動服裝，並穿著平底鞋，禁止穿露趾鞋，最好穿高幫鞋！將電動獨輪車攜帶至較空曠的場所，並確保地面平坦無明顯障礙物。
關鍵問題
注意要點
當初學者初次使用電動獨輪車時可將產品套裝內的輔助學習帶作為重要工具。
輔助手帶可在使用中幫助初學者避免由於操作生疏，而造成電動獨輪車失控的情況。
注意事項
1.電動獨輪車是利用陀螺儀進行前後穩定的。
2.當身體前傾，電動獨輪車會感知到動作進行加速；當身體後仰，電動獨輪車也會控制電機減速以維持駕駛者與車體的平衡。
3.切記不要進行急加速和其他如扭頭等類似的讓電動獨輪車失去控制的危險動作。
4.年齡低於18歲或大於45的初學者在使用時需要有人在旁協助學習。
5.使用前請確認電量充足，輪胎充氣正常。
6.在尚未熟悉駕駛前請勿嘗試較快的行駛速度。
7.電動獨輪車的自平衡範圍有限，切記禁止急加速或者急減速！
7.電動獨輪車的自平衡範圍有限，切記禁止急加速或者急減速！
8. 可以尋找一面牆或者護欄等等來幫助平衡，如果這些都沒有，也可以找一個朋友站在身邊。在外界的輔助下，可以先站上電動獨輪車，利用身體前傾使電動獨輪車慢慢往前移動，逐漸熟悉騎行的感覺，逐步減少對輔助物的依賴直到完全不需要輔助物。
維護保養
更換輪胎
1. 更換輪胎時，需要內六角螺絲刀和十字螺絲刀。
2. 用十字螺絲刀擰松蓋子外面的所有螺絲（包括把手上的螺絲），每一邊都有7個。
3. 腳踏板下面的兩邊各有6個螺絲，鬆動電源開關另一側的六顆內六角螺絲。注意：永遠不要擰動電源開關一側的內六角螺栓。
4. 當擰開這些螺絲後，將蓋子以把手為軸心翻動直至機殼不妨礙拆卸輪胎。在把手的區域有一些電線，小心不要拉斷這些電線。這樣就可以更換輪胎和修理內胎。
5. 當修理結束後，將蓋板安裝到原來的位置，擰緊螺絲。
