浅谈segway代步车原理及设计.doc

“ Segway双轮电动车”的分析 工设11 赵晋 19 2012/5/9初到北京，“segway双轮电动车”是让我印象最深的一个东西。当时和家人去鸟巢观光，意外地看到那儿的保安在使用一种两个轮子的、看似简单却新奇得很的行驶工具。当时一直记在脑海里却也说不出这个是什么。 这回通过向相关人员进行的咨询， 再加上自己对网上一系列资料的整理，使我对于这种工具有了进一步的了解与思考。 对于我个人而言，实在有种“幸甚至哉”的雀跃之感。 序言Segway双轮电动车，俗称电动代步车，是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具。该车在操作时不需要刹车装置或者节流杆，当驾驶者身体前倾时，机车前进;当驾驶者身体直立时，机车停止。 下面我来介绍一下segway的工作原理，以及就此车型而言提出几点设计方面的想法。运作原理segway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效果。就如同人体站立前倾时会失去平衡，但人体天生的平衡器官会告知大脑这一情形，并由大脑下达移动脚步的指令以维持平衡。Segway用轮子取代了脚的功能，复制了人类高精密的平衡动作。segway最基本的内部构造可被概括为传感系统、控制系统和马达系统。1）传感系统最原始的传感系统是一个陀螺仪的组合，但陀螺仪的框架会自由地在空间移动。通过测量轮子相对于框架的位置，精确的传感器能感知倾斜度（从正直的方向偏离多少）和倾斜速度（倾斜得有多快）。 但原始的陀螺仪过于笨重，segway运用不同的机械机制达到相同的效果。它使用一种特殊的电晶体硅传感器，这种陀螺仪能通过地球自转偏向力的效果在一个非常小的范围里决定旋转。就好像飞机飞的是直线，但看起来好像是弯曲的，这是因为下面的地球在旋转。一个典型的电晶体硅传感器包括一个安装在支持性框架上的硅钢片。硅微粒在施加于硅钢片上的静电流的驱使下移动，进而造成硅钢板颤动这种颤动是可预知的。当硅钢板沿轴转动时（即Segway转动时），这些微粒迅速改变和硅钢板的关系，于是振动产生了变化，变化的程度和旋转的程度成比例。陀螺仪测量振动的变化，把信息送给计算机。2）控制系统传感器的信息被传送到“大脑”，即控制系统。它由两个电子控制器电路板构成，电路板包括一个微处理器的集群。（其基本框架为三轴加速度计和地磁加速度计。）电路板上的多重微处理器据称是PC效率的3倍。因为需要极其精确的调整才能防止Segway倾倒。如果一个电路板出了毛病，另一个会承担所有的功能，让使用者从容不迫地停下来。 3）马达系统微处理器运行高级程序以控制机器。程序检测所有的稳定性信息，调整相关的电子马达的速度以回应这些信息。电子马达通过一对电池驱动，两个轮子可以被独立地调整到不同的速度上。当前进时，马达驱使两个轮子前进；后退时，马达驱使两个轮子后退；当转弯时，马达使一个轮子快些，一个轮子慢些，或者在相反方向上转动轮子，以使单兵突击车左转或右转。结构设计 在剖析segway的结构设计前，我想首先应该来揣摩一下设计者最初对于它用途的考虑。 一直以来，警察巡逻都是步行，或者乘坐巡逻车。但步行的速度会比较慢，而巡逻车庞大的身形则不方便进入一些拥挤、狭窄的地方。 设计者在考虑到既提高巡逻速度、又不使巡逻区域因此受到局限的情况下设计出segway它的体积小，灵活性大，正好协调处理好了这两个需求。 此外，此车在设计时也有很多作为巡逻用车功能方面的特殊考虑，以及其他提高车的性能的优化设计。 1）外型设计：平行双轮电动车的行走机构segway是一种两轮同轴左右平行布置、独立驱动的结构，其行走机构控制的关键是两轮行走机构在行走过程中的平衡控制：(1)可以实现零半径转弯，具有极强的灵活性。由于只有两个轮子，因而结尺寸可以做得较小，转弯时占用的空间也相对较小。这一特点使它适用在狭窄和移动中需经常转弯的空间。(2)三轮或四轮车辆在爬坡时重心会发生倾斜，因而对坡度有限制。平行双轮电动车在爬坡时上体姿态和走平路时一样，重心不发生倾斜，所以平行双轮电动车可适应更大的爬坡的坡度。2）安全设计：处理突发情况的备用装备其内部有五个固态陀螺仪的装备。事实上，车辆只需要三个陀螺仪就可以完全掌控车身的前后倾与侧倾程度，而多出的两个陀螺仪其实是用来确保行车安全的备用装置。同理，前面已经提到它的控制系统是两个电子控制器，其中一个也是为了保障在万一出现故障的情况下及时启动来承担所有功能，从而提高安全性能。Segway的失控紧急安全控制功能，以及跌落自动断电控制功能都是出于安全的考虑。3）低碳设计：电力驱动，电池便于拆卸、维护Segway是电动力的代步工具，其动力来源为两组镍氢充电电池，实现了0排放。其电池在思维车的底部，便于拆卸、更换、维护。而Segway思维车的充电插口在车体的后部，在没有任何电量的情况下，只需要充电6个小时即可将电池充满。电池充满的情况下，Segway思维车可以连续行驶40公里左右。它使用费用低廉，移动安静便利，并配备有电子式充电系统。 细节设计分析（一） 优点、合理化的设计1） 脚踏板： 运用了人机工程学，根据人穿着鞋的实际大小再加上一定修正量来设计脚踏板的大小，使segway在合理范围内尽量的减小投影面积（即大小）。此外，不光滑的表面设计有助于提高人站立的稳定性。2） 手柄： 运用了人机工程学，其形状适应人手握的形态而设计，使用软胶包裹手柄增加舒适感，有一定粗糙程度的细纹表面具有明显的触觉刺激，易于操作使用，有良好的适应性及牢靠性。3） 指示灯与提示音： 此车在两踏板之间有指示灯，通过颜色的变化用以提示人们是否能够安全上车开始驾驶。而当人脚踏上车会听到有提示音，以告知segway正式启动。这两项设计分别从视觉和听觉两方面起警示作用、尽力避免意外的启动，增加了它的安全系数。4） InfoKey（遥控钥匙）：设计者巧妙地为遥控钥匙设计了安放处在这个正对着人眼的醒目位置，驾驶者可通过它监看电池还剩多少、行使距离和行使速度。此外，它有初学者模式的设定，在通过自动调节、限制车速等保证驾驶者的安全，这样很人性化。此外，作为一个小型人机界面，在显示数据的同时加入了图标的应用、便于人眼获取信息，且按键简单、便于操作。这些都充分体现出人机理念。（二）个人改进意见1） 增加外观颜色的鲜明度 或是增加反光带： segway车身呈全黑色，在一些环境下不易辨识，故而希望通过改进外观色彩来提高可辨性。 视认性好的颜色能见度佳（诸如银金属色）， 用于车辆外部的话将有利于提高行车的安全性。这一点也可以通过增加车上反光色带来达到效果。 此外车型在颜色的丰富也能增加segway的美观性。2） 安装小车前灯和小后视镜：作用分别在于 便于夜间及昏暗环境下的使用和在某些情况下顾及后方视野的使用segway。3） 使操纵杆高度具有可调性：每个驾驶者的身高都不尽相同，为了最大程度的适应人的使用、提高舒适感，若把固定的操纵杆改进成可调节式即可根据实际需要来调整。4） 停车支架的装备：鸟巢所见的segway都没有一个正常的停放姿势，而只能倾斜倚靠或是“卧倒”在地。 在这种条件下，如同自行车停放会有一个支架，segway 自身有一个便捷的停放支架的携带也是十分必要的。5） 装配小型储物袋：在不影响使用功能的前提下，仿照自行车、可在segway前端添加放置诸如水瓶和工具的小型储物袋。6） 防护栏的增加：在保证车型小巧灵活的前提下，可以在车的四周加上防护栏，增加segway的安全系数。7） 安置摄像头：根据它的使用领域多是警用，军政，安保而提出的此点改进意见。微型摄像头的安置可以实时记录巡逻时的突发状况，使违法违纪行为有迹可寻。 论文到这里就该结束了，最后我想说说自己写这篇论文的几点收获。一是，若想比较明晰的去了解一个事物，就必须通过无数的阅读去挖取信息，在此基础上进行整合梳理。我自己对于信息的敏感能力还不够强，很多时候不能正确的把握住信息去得到自己想要的答案，因此也浪费了不少时间。但我想这也是一个过程吧，我若能把这些付出的时间当做一种经验的积累，以后对于信息的处理能力、处理效率也会得到提高的。 二是，我发现去了解、思考一个产品是个很有趣的过程。我相信每个人都曾经是那个看到无数新鲜东西、张大嘴表达惊讶的人，也曾是那个