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1、,两轮体感自平衡代步工具设计 前期市场调研,目录 一、体感自平衡代步工具的介绍1-1体感自平衡电动车简介1-2课题研究背景1-3国内外研究现状及分析 二、体感自平衡代步工具的市场调研2-1行业发展现状2-2市场上中高端品牌同类产品分析 三、体感自平衡代步工具的初步构思草图,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-1体感自平衡电动车简介也许很多人还不知道什么是自平衡电动车。自平衡电动车，也叫自平衡车、电动平衡车、双轮代步车、思维车，这些都是业内对其的称呼，从字面意思来看，自平衡电动车就是一辆可以自己保持平衡且依靠电力驱动的车子。自平衡电动车起源于1999年，当时由迪恩.卡门的DEKA与美国大型医疗器材
2、生产商强生的子公司独立科技合作开发，在那个时代被称作自动平衡式动力轮椅iBOT。其设计灵感源于人类直立行走的姿势，卡门想发明一种车来代替人类行走。于是，他尝试用精密的陀螺仪和电动马达结合，并推出“动态稳定”概念。之后，在此基础上，也就有了第一辆Segway自平衡电动车的诞生。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-1体感自平衡电动车简介最初设计电动平衡车的初衷是为了代替人们的双脚，只要人可以用双腿走的地方，驾驶着电动平衡车也可以通过。它属于一种新式的短途代步工具，成为人们日常出行的一种解决方案。当你不想走着去住所附近的超市、银行、餐馆等公共场所时，就可以驾驶着电动平衡车来代替您的双脚，去往距离住所
3、3-5公里范围内的公共场所。除了短途代步以外，电动平衡车也可以当做是一种娱乐玩具，作为日常健身娱乐的设备，驾驶电动平衡车就像骑自行车一样，也是一种日常锻炼方式。以上只是针对私人用途，对于某些大型企业或集团来说，电动平衡车往往会出现在一些特定的展会、活动中，成为一种吸引众人眼球，辅助企业宣传产品的工具。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景汽车作为一种城市交通工具，改变了人类的出行方式和生活习惯，成为城市不可或缺的一个重要组成部分，是人类社会100多年工业文明的杰出代表。但随着历史进程的不断发展，它带来的诸多问题也逐渐显现出来，困扰甚至威胁着人类的社会发展及生存环境，如图1至图4所示
4、。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图1 图2,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图3 图4,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景 1、环境问题。环境污染是工业文明的一块顽疾，长期困扰着人类，而汽车尾气污染已经成为空气污染的主要来源，据一份调查资料显示，机动车尾气排放已经占我国主要污染物的60%，每年排放各种有害物质达上百万吨，并且还在以每年超过20%的速度上升。汽车尾气污染的严重形势呼唤着采用清洁能源的新型城市交通工具的出现。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景 2、能源问题。现代化的世界经济建立在化石能源基础之上，它的发展依赖于化石能
5、源，如石油、天然气与煤炭资源等。然而，由于化石能源的有限性，能源危机不可避免。根据石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为11801510亿吨，以1995年世界世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭。而另一份资料显示，2010年我国原油产量1.6亿吨，汽油产量4134.7万吨，86%的汽油为汽车所用。因此寻找一种可再生的新能源作为交通工具的动力来源，是解决这一危机的关键。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景 3、交通问题。随着城市人口密度增加和汽车持有量的不断上升，交通拥堵情况时有发生，严重影响了人们的出行效率。与此同时，随着社会文化程度
6、的不断提高，一些公共场所（如机场、大型超市、展馆等）的面积不断增加的同时。其人员密度也不断提升，这就需要向行人及工作人员提供一种小型化、机动灵活而且无污染的交通运输工具。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景正是在这样的背景下，研究人员提出了体感自平衡式两轮电动车概念。如图5至图6所示。这类电动车属于轮式移动机器人，其重心倒置于轮轴上方，两个车轮平行共轴放置，且各由一个直流电机单独驱动。由于该系统具有不稳定特性，工作时需要通过倾角传感器和电机的联合运行，并采用倒立摆的平衡控制原理自主保持车体动态平衡，从而完成前进、后退、和转弯等功能。如图7所示。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-
7、2课题研究背景图5,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图6,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图7,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景当系统工作时，微处理器接收倾角传感器监测到的车身姿态信息，并通过内置控制算法得到相应的控制信号，进而驱动直流电机工作，即当车身前倾时，电机会产生一个大小适宜的前进加速度以维持车身平衡，反之同理。同时微处理器还会接收来自转弯操纵系统的信息，提供转弯信号驱动两直流电机差速运行，其整体系统如图8所示。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图8,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景由于其独特的机械结构及控
8、制理念，相对于传统车辆两轮自平衡式电动车拥有以下几个特点：1、转弯灵活：由于该种电动车采用两轮独立驱动，它可以通过车轮间的转速差实现任意半径转弯，甚至绕车体中心原地旋转，即零半径转弯。因此这种电动车有利于在狭窄场所改变方向，可实现在小空间范围内灵巧运动。2、无刹车系统：当重心后移时，CPU自动控制电机给出反转力矩，从而实现快速平整的减速。操作简便，易于实现启动、停止和后退等功能，并省去了机械刹车结构，减轻了车体重量。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景3、体积小巧：相对于多轮结构，它在结构上大大简化，体型更加小巧，重量减轻，运动更为灵活。与此同时，运动所需的驱动功率也大幅降低。由
9、于两轮自平衡式电动车的以上三个特点，它适用于空间狭小、路途较远、地形复杂，及汽车无法通过而步行又不方便的场合。因此，两轮自平衡式电动车在城市化高度发展的今天有着广泛的应用前景，其典型应用场合包括大型超市、机场、高尔夫球场、交警巡逻、空间探索、智能轮椅、高科技玩具、控制理论测试平台等方面。如图9到图12所示。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图9,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图10 图11,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-2课题研究背景图12,图7,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析近年来，两轮自平衡电动车的研究开始在美国、日本、瑞士等
10、国得到迅速的发展。建立了多个实验原机型，提出来众多解决平衡控制的方案，并对原机型的自动平衡性能与运动特性进行了验证。通过对两轮自平衡系统的改造，可快速方便的应用到众多环境中去，如承载、运输、代步等。这其中蕴藏着巨大的商机，相应有些国外公司现在已经推出了商业化产品，并且已经投放到了市场。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析两轮自平衡电动车的相关研究始于1987年，两轮自平衡系统首先是由日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出类似的设计思想。1986年，该国的Kazuo Yamafuji教授突发奇想设计了一个两轮同轴、重心高高在上的模型。在这个模型中，电机和控制芯片设计在上
11、部，靠很多个陀螺仪来监测模型的姿态。虽然受到当时计算机和传感器技术的限制，Kazuo Yamafuji的两轮自平衡模型只能沿着事先设置好的轨道行驶，无法实现转弯、避障等功能。但这一理念却被公认为两轮自平衡式电动车的概念起源。如图13所示。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图13,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析2002年瑞士联邦工业大学工业电子实验室的Felix Grasser研制出应用DSP遥控操作的两轮移动机器人Joe，如图14所示。这台机器人高65cm，重12kg，最大运行速度可以达到1.5m/s，超过了人的行走速度。采用陀螺仪及电机编码器
12、作为传感器来获得机器人倾斜姿态和运动状态信息。它的两轮采取平行同轴布置，各使用一个直流电机驱动，因此功能稳定地做U型转弯和零半径回转。这一模型被认为是两轮自平衡电动车的雏形。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图14,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析2002年，美国Segway LLC公司的Dean Kamen发明了世界上第一部两轮自平衡式交通工具Segway，如图15所示。Segway靠改变车身的重心位置使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，通过电机运转保持车身的动态平衡。Segway采用了带整体磁性反馈装置的冗余集成直流无刷伺服电机作
13、为动力驱动，应用5个惯性陀螺仪、2个倾角计、斜坡感应器及一些光学传感器作为运动状态检测装置，速度可达到2km/h。它没有制动装置、引擎、传动装置和方向盘，外形小巧、运动灵活，与驾驶者如影随形。Segway的出现在全世界引起了极大轰动，充分展示了两轮自平衡式电动车行走的灵活性和实用性，引发了人们对未来交通工具革命的关注。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图15,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析为拓展两轮自平衡式电动车的应用领域，实用社会需要，Segway公司相继推出了适用于山地越野的XT系列，如图16所示。和专为高尔夫球场设计的GT系列，如图17所
14、示。并于2009年初联手美国通用公司推出了一款坐式Segway概念车PUMA，如图18所示。它在控制理念上完全继承了前几代Segway，而在外形及时速上更贴近普通机动车，并可两人同时乘坐，周身布置的多个避障传感器增加了它的安全性能，提高了其实用性。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图16 图17,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图18,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析2010年3月24日，通用汽车在上海首发了以PUMA为基础、融合电气化和车联网两大技术的双人座EN-V电机联网概念车，如图19所示。该车时速可达40km/h，
15、充电一次可行驶40km，重量为400kg，车身体积1.5m1.435m1.64m，自身携带3个GPS可实现精 确定位。车身以电机拖动以实现在十个人平台上的前后滑动，从而改变车身重心位置。EN-V是通用汽车对未来城市个人交通的最新解决方案，可使未来城市交通实现零油耗、零排放、零堵塞和零事故。,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析图19,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析由于Segway的兴起引起了人们对两轮自平衡式电动车的广泛关注，我国的许多研究机构和人员对此也付出了大量精力，并获得了丰硕的成果。2003年，国立中央大学电机工程研究所研制了一种两轮自平衡
16、机器人，如图20所示。高位500mm，宽为300mm，传感器使用了陀螺仪与倾角计，采用了DSP2412作为控制器，质量集中在车轮附近，车身摆动范围很大。在控制方法上采用模糊算法实现了机器人的自平衡控制。2003年中国科技大学的屠武运、张培仁等研究出了两轮自平衡代步电动车Free Mover，如图21所示。它被认,一、体感自平衡代步工具的介绍,1-3国内外研究现状及分析 为是我国大陆地区第一台两轮自平衡式电动车。其他学校如西安电子科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等研究机构和机器人爱好者也对该方向进行了个方面的研究。图20 图21,二、体感自平衡代步工具的市场调研,2-1行业发展现状随着国内经济的发展，平衡车市场发展面临巨大机遇和挑战。在市场竞争方面，平衡车企业数量越来越多，市场正面临着供给与需求的不对称，平衡车行业有进一步洗牌的强烈要求，但是在一些平衡车细分市场仍有较大的发展空间，信息化技术将成为核心竞争力。,
