Hvordan Segways opnår balance:Videnskaben bag det selvbalancerende elektriske køretøj

I sin kerne kombinerer en Segway sofistikerede sensorer, et realtidsstyringssystem og højpræcisionsmotorer. Denne artikel dissekerer hver komponent.

Hjertet i systemet er en trio af gyroskopiske sensorer. Et traditionelt gyroskop bruger et roterende hjul i en stiv ramme; hjulet modstår eksternt drejningsmoment, hvilket gør det muligt for køretøjet at registrere hældning og vinkelhastighed. I praksis holder et roterende hjul sin akse stabil, og enhver påført kraft fordeles rundt om hjulets omkreds, hvilket effektivt udligner eksterne forstyrrelser. (For a deeper dive, see How Gyroscopes Work .)

Fordi det drejende hjul er fastgjort i forhold til køretøjets ramme, kan systemet måle hældningen (tilt frem eller tilbage) og rulning (vip til venstre eller højre) af Segwayen. Disse præcise data er afgørende for at opretholde balancen.

Traditionelle mekaniske gyroskoper ville være omfangsrige og vedligeholdelsestunge for et bærbart køretøj. I stedet anvender Segways et solid-state siliciumgyroskop, der udnytter Coriolis-effekten i mikroskopisk skala. Coriolis-effekten beskriver, hvordan et objekt i bevægelse ser ud til at afbøje, når det observeres fra en roterende referenceramme – svarende til hvordan et fly ser ud til at dreje, fordi Jorden roterer under det.

Et typisk siliciumgyroskop består af en mikrofabrikeret plade monteret på en understøtning. En elektrostatisk strøm driver partikler på pladen, hvilket inducerer et forudsigeligt vibrationsmønster. Når enheden roterer om sin akse, forskydes partiklerne i forhold til pladen, hvilket ændrer vibrationsamplituden i forhold til rotationshastigheden. Sensoren fanger denne ændring og videresender dataene til den indbyggede computer, hvilket muliggør realtidsdetektering af vinkelbevægelse. For flere tekniske detaljer, udforsk solid-state silicium gyroskoper .

Segway HT integrerer fem gyroskopiske sensorer - tre er tilstrækkelige til fremad/bagudgående hældning og venstre/højre rulningsdetektion, mens de ekstra enheder giver redundans for at øge pålideligheden. Som komplement til gyroerne er to elektrolytfyldte hældningssensorer, der efterligner det vestibulære system i det indre øre og bestemmer orientering i forhold til tyngdekraften baseret på væskeoverfladehældning.

Alle sensorudgange føres ind i køretøjets dual-board kontrolarkitektur. To printkort, der hver er vært for en klynge af mikroprocessorer, styrer systemet. Segway'en rummer i alt ti mikroprocessorer, der leverer cirka tre gange så stor beregningskraft som en standard stationær pc. Dual-board-opsætningen tilbyder fejltolerance:Hvis et board svigter, tager det andet over, advarer rytteren og starter en sikker nedlukning.

En sådan beregningskraft er nødvendig for Segwayens stabilitetslogik. Controllerne prøver sensordata ved ~100Hz, og kører sofistikerede algoritmer, der justerer motorhastigheder for at modvirke enhver afvigelse fra lodret. De elektriske motorer, drevet af enten nikkel-metalhydrid (NiMH) eller lithium-ion (Li-Ion) batterier, kan rotere hvert hjul uafhængigt ved variabel hastighed.

Når køretøjet læner sig fremad, accelererer begge motorer fremad for at udligne hældningen. Omvendt udløser en baglæns hældning omvendt bevægelse. Styringen opnås ved hjælp af differentiale hjulhastigheder eller modsat roterende hjul, så Segway'en kan dreje til venstre eller højre.

Selvom Segway måske ikke konkurrerer med internettets transformative virkning, repræsenterer dens konstruktion en bemærkelsesværdig konvergens af fysik, elektronik og software – et eksempel på, hvordan multidisciplinær ekspertise kan give en yderst pålidelig, selvbalancerende transportløsning.