[科普中国]-电动平衡车

电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上。1

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。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。1

随着人们环保意识的加强，电动车的数量与日俱增。与此同时，科学家经过潜心的研究，终于开发出新款两轮电动平衡车。两轮电动平衡车是一种新型的交通工具，它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同，而是采用两轮并排固定的方式。两轮电动平衡车采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以 实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。2 2018年9月28日，北京市通过使用电动平衡车、滑板车等器械作为代步工具上路的情况将面临扣留器械，并处以200元罚款的处罚决定。3

技术原理运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）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（Solid-StateGyroscopes）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的效果。4

电动平衡车系统常采用有刷直流电机或无刷直流电机，有刷电机特点是起动快、制动灵敏、可大范围里平滑调速、控制电路简单，适用于一般的动力设备，可连续工作5000小时，常规寿命两到三年，但连续工作1000小时，需更换碳刷; 无刷电机是电机和驱动器的整体，不用更换电刷，属机电一体化设备，可连续运行20000小时常规寿命七到十年，数字变频控制调速更容易，耗电量是有刷电机的三分之一，但造价高对控制精度的要求比较高，适用于对速度控制要求比较高的设备中。5

在电动平衡车系统中，要获取加速度和角速度信息，加速度传感器能将人体运动中产生加速度转换为信号进行有效的处理，从而判断出人体做出的动作; 陀螺仪可将电动平衡车的旋转角速度转换为信号，旋转角速度积分处理对应着平衡车倾斜角度，从而可控制电动平衡车的平衡。5

发展现状及前景现状早在1985年，日本的山藤一雄教授就提出了两轮电动平衡小车的模型。只不过当时，他提出的两轮电动小车模型只能做直线运动。2

21世纪初，随着各个国家对两轮电动平衡小车的不断研究，该项目已成为全球机器人控制技术的研究热点之一。在这方面做的好的主要有美国、日本、瑞士和法国。2

2001年美国著名科学家迪恩卡门（DeanKamen）发明了一种方便快捷的新型交通工具——两轮电动平衡车“赛格威”。2

在这之后，赛格威还受到了美国军队的青睐，它开始由民用走向军用。2

2002年，瑞士联邦工业大学的富力克斯研究出了可以用遥控器遥控的两轮自平衡机器人乔伊，它的速度最快可达到1.5m/s，在我们后期的项目制作中，也采用了此遥控技术，进行远程控制，空旷地带，最远可以遥控到50米。2

2003，美国的安德森等人研究出了非凡的两轮电动平衡车，不仅能在平坦的公路上行走，而且可以适应崎岖的山路，该项发明于2003年5月被美国太空总署评为季度最佳机器人。2

2005年，日本的村田发布了“村田顽童”自行车机器人，这次有了一个质的飞跃，由于它的技术突破，2006年被美国《时代周刊》评为年度最佳发明之一。同时受到了全世界的高度关注。本项目中用到的陀螺仪就是日本村田的ENC-03MB。2

国内关于两轮电动平衡小车的研究处于起步阶段，主要有清华大学、西北工业大学、湖南大学、乐山师范学院等各大院校。目前清华大学主导的全国大学生智能车竞赛就是基于两轮电动平衡车的研究，该项目得到了飞思卡尔半导体、国家教育部等的大力支持。2

面临问题1、平衡车整体研发力度不足，产品不够创新

我国还是一个科技力量、创新意识较为薄弱的国家，平衡车行业由于生产设备较为落后，在平衡车新品研究投入资金不足，研发力度不够，因此创新能力较低。与西方发达国家相比，我国在平衡车研制方面明显存在着区别，并且核心技术掌握在国外企业手中。尽管目前我国平衡车市场有很多的国内品牌，但是能够真正地技术过关、创新发展的品牌并不多。平衡车企业数量众多，质量参差不齐6

国内的创业者对平衡车进行了重新定位，使体型小巧、便于携带的平衡车重新进入大家的视线，平衡车行业也随之兴起。很多小工厂，雇佣廉价的劳动力，并以一些廉价的甚至是不合格的零部配件为材料，组装成质量有问题的平衡车。小本投资的老板会通过网页加盟招商招代理，或者通过微商，形成系统的营销网络。因此在淘宝、京东上搜索时，会出现大量的低价平衡车以及数以百计的品牌，让消费者无从下手。6

2、我国人们安全意识薄弱，相关法律法规不够完善

多数人眼里的自平衡电动车应该是比较具有挑战性的，怕使用过程中或是上街会有安全问题，所以可以在高校中开展一个安全讲座是必要的，这样可以让消费者放心选择租用。标准《道路车辆分类管理与代码》的滞后导致新型代步工具技术上归类不清，其他类型市场需求潜力巨大的轻型电动车也无法获得上路权。正是这种尴尬地位导致企业为了获得上路权，想方设法向电动自行车国家标准靠拢，将许多其他类型的轻型电动车产品冠上“电动自行车”的名称，鱼目混珠。同时交通安全的法律法规不完善，平衡车上路存在大量安全隐患。6

3、初期扩展市场比较困难

平衡车进入国内市场缺乏市场基础，初期扩展市场还是存在很大困难的。一方面是认知，很多人不知道不了解平衡车，它与传统交通工具有着根本的区别，大家固有思想的转变以及对于新事物的接受需要很长的一段时间。另一方面就是价格，由于平衡车在前期定位不清，导致价格昂贵，尽管现在价格有所下降，但相对于自行车和电动车来说还是有点小贵。很多人不愿意花费1999元甚至更好的价格去购买一个自己不熟悉的东西。6

发展前景生活是向着智能化，便捷化的方向发展，独轮自平衡车符合这个趋势，顺应了时代的潮流，有着良好的发展前景。平衡车相对于其他交通工具最独特的特点是节能环保。如今全球变暖将给地球带来灭顶之灾，而气温变暖的罪魁祸首之一，就是工业废气的大量排放。交通工具中的汽车尾气废气的排放也是重要原因之一。当今世界的另一个危机就是能源危机，节能环保交通工具取代传统是必然趋势，为平衡车的发展提供了广阔的发展空间。组建相关俱乐部，并不断壮大智能代步机适用人群，以学生为首要发展人群，进一步拓宽年龄层次，促进智能代步时代的到来。6

和素质拓展相关企业进行合作，使用智能代步机创立一个新项目，作为新式健身器材锻炼平衡性发展警用型设备，在原有基础上进行合理的优化和设计，更适用于道路交通防治工作的代步。发展广告刷街业务，告别原有的大型机动车辆配合喇叭等扩音器材的污染扰民式宣传，主动联系有相关需求的商家厂家，发展环保时尚营销。占据飞机场亦或是大型高尔夫球场等市场，不断挖掘智能代步机的“用武之地”，引领便携高效生活。因此，应该尽快修订《道路车辆分类管理与代码》国家标准并制订急需标准和完善现有标准，为产业发展铺平道路。完善相关的交通法规，为平衡车上路提供保障。6

特点两轮自平衡电动车在设计上主要有以下几个特点：2

绿色环保。电动车采用蓄电池供电，对环境完全无污染，绝对绿色环保，并可以反复充电使用。而且电动机的运行效率高，噪声低效率高，因此既降低了噪声污染，也节约了能源。2

转弯半径很小，基本接近 0。这样就非常适合在小空间范围内使用。比如：大型商场、羊肠小道、人才市场、车间等。2

无刹车系统，由陀螺仪检测角速度信号，加速度计检测角度信号，然后融合得到两轮电动平衡车的精确角度信号，最后传输到单片机，让单片机的 PWM模块控制两轮电动平衡车的电机正反转。这样既避免了能源浪费，又可以避免对刹车片的磨损。传统汽车还可能出现刹车不灵的时候，这种情况在两轮电动平衡车上完全不用担心。2

控制极其方便，仅通过身体的前后倾斜就可以改变两轮电动平衡车的前进后退以及运行速度，比传统的汽车方便灵活的多。2

在现实生活中两轮电动平衡车已被采用在一些特殊行业，像 2008 年奥运会期间行驶在北京街头的“赛格威”。当民警遇到可疑情况时候，就可以非常迅速做出反应，从而有效的提高工作效率。2

技术优势传统的交通工具相比较，电动平衡车具有以下技术优势。4

1)纯电力驱动，零排放，环保元污染；4

2)智能控制，操控灵活，采用倒立摆原理自动平衡，重力感应，稳定性优越；4

3)运动灵活，转向稳定，电动两轮平衡车具有零转弯半径，可在狭窄空间内灵巧运动；4

4)体积小，可乘用公共交通工具，不占用空间，制动灵敏，调整人体前后重心即可实现加减速；4

5)模块化结构，易于维修，造型及控制模式新颖，自平衡平台可扩展；4

6)驾驶简单，无需特殊培训，只需稍加熟练即可自如控制。4

此外，这种看似很简单的代步工具，对许多领域的技术都有涉及，包括：机械学、微型计算机技术、控制技术、传感器技术、电机驱动技术、蓄电池及材料技术等，具有广泛的研究背景、应用价值和产业前景。4

驾驶方法类似人体自身的平衡系统，当身体重心前倾时，为了保证平衡，需要往前走，重心后倾时同理。同时，电动平衡车的转向由把手握及伸缩杆来实现，摆动把手握会连带着伸缩杆使车辆左右两个车轮产生转速差（例如伸缩杆向左摆动时，右轮的转速会比左轮快），达到转向的效果。7

车辆的能量来源是一个锂电池组，单次充电可保证20-70km的续航里程和20km的最高时速。在骑行时，将方向操纵杆指向需要前进的方向，车体将会朝着指向的方向行驶。当方向操纵杆处于车体正中间位置时，系统将朝正前方行驶。当转方向操纵杆时，系统会相应地控制左右两边的速度差，实现转向，让身体跟随方向操纵杆倾斜的方向倾斜，将会获得更好的转向体验。7

突破性的垂直转向设计，颠覆传统的驾驭方式，更符合人体的操作习惯。7

常见问题工商人员告诉记者，目前有关平衡车的投诉主要存在3种情况：一是交货款后，商家逾期提供或以无车、价格标注错误为由拒绝提供商品；二是保修期内出现无法正常启动、行驶中突然断电、无法转弯、车体开裂、车胎破损等质量问题；三是商家对平衡车的材质功能等夸大宣传，例如把一般材质的车宣传采用顶级铝合金材质，把说明书注明的充满电可行驶20公里宣传为可行驶120公里。8

电动平衡车这种新型的电动助力工具存在较大安全隐患。记者搜索发现，不少网友反映，在行驶过程中因平衡车突然停止，导致身体受惯性驱使摔倒，引起摔伤、脱臼、骨折乃至肋骨断裂。有交警称，独轮的电动平衡车，最快时速可以达到30公里，但没有刹车，如果在机动车道行驶，非常容易跟机动车发生碰擦，会给骑车人造成严重的伤害，但在便道上行驶，又会严重威胁行人安全。8

按照《北京市实施〈道路交通安全法〉办法》相关规定，此类车不得在公共道路上行驶，避免给自身和他人的安全造成不必要的伤害。据悉，上月底交管部门已发出通知，对在市政公共道路上滑行的平衡车罚款10元，还将责令违法人立即改正，不得继续使用此类滑行工具。8

工商部门提醒消费者：8

1、选购时要选择适合自己功能的车型。8

2、仔细了解车辆三包规定及售后服务承诺，不要轻信销售人员的口头介绍与承诺。8

3、使用时要检查车辆，确保车况正常。8

4、在行驶时注意周围环境，选择平坦、空旷的场所。8

管理办法2018年9月28日，北京市十五届人大常委会第七次会议， 将对《北京市人民代表大会常务委员会关于修改《北京市实施中华人民共和国道路交通安全法办法》的决定》进行表决。通过使用电动平衡车、滑板车等器械作为代步工具上路的情况将面临扣留器械，并处以200元罚款的处罚。3

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学