淺談電動(dòng)平衡車(chē)安全性及改進(jìn)

尹浩宇

摘要：電動(dòng)平衡車(chē)是一種操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏的新型代步及娛樂(lè)工具，隨著智能化進(jìn)程的推進(jìn)逐漸進(jìn)入了我們的生活，但由于其穩(wěn)定性、保護(hù)措施等方面的不足，目前使用平衡車(chē)仍存在較大的安全隱患。本文基于對(duì)平衡車(chē)的概況進(jìn)行梳理和分析，探究電動(dòng)平衡車(chē)在操控系統(tǒng)、使用場(chǎng)所等方面的安全問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：智能科技 電動(dòng)平衡車(chē) 安全隱患

隨著科技的迅速發(fā)展，智能科技不斷融入人們的生活，“智能化”逐漸成為當(dāng)前的熱點(diǎn)詞匯，未來(lái)的設(shè)備必然朝著輕便、智能化的方向發(fā)展，電動(dòng)平衡車(chē)應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)平衡車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)平衡車(chē)）是一種歸類(lèi)于智能機(jī)器人類(lèi)別下的新型代步及娛樂(lè)工具，因其體積小、靈便、操作簡(jiǎn)單而受到廣大青少年喜愛(ài)。

但正當(dāng)電動(dòng)平衡車(chē)穿梭于大街小巷、小區(qū)及公園等場(chǎng)所時(shí)，平衡車(chē)安全事故也在不斷發(fā)生：2018年7月29日，北京朝陽(yáng)一小區(qū)內(nèi)平衡車(chē)充電時(shí)電池爆燃；2018年3月10日，鄭州市沙先生騎平衡車(chē)時(shí)因平衡車(chē)突然斷電，整個(gè)人飛出摔傷；2016年6月16日，一名上海市民駕駛平衡車(chē)時(shí)平衡車(chē)驟停，造成多處軟組織挫傷……諸如此類(lèi)的事故還有很多，由此可見(jiàn)，平衡車(chē)在進(jìn)入人們生活的道路上，仍存在許多安全隱患。本文基于對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的綜合分析，對(duì)平衡車(chē)的安全性進(jìn)行探究，為實(shí)現(xiàn)平衡車(chē)的安全使用提出可行性建議。

一、平衡車(chē)概況

電動(dòng)平衡車(chē)的原理主要是建立在一種被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”（Dynamic Stabilization） 的基本原理上，利用車(chē)體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器，來(lái)檢測(cè)車(chē)體姿態(tài)的變化，并利用伺服控制系統(tǒng)，精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡[1]。自本世紀(jì)初第一臺(tái)平衡車(chē)在美國(guó)問(wèn)世以來(lái)，逐步在世界各國(guó)推廣，近十年來(lái)在全國(guó)快速普及，我國(guó)生產(chǎn)主要集中在江浙和廣東一帶，主要有單輪、雙輪兩種類(lèi)型的電動(dòng)平衡車(chē)。

平衡車(chē)的控制系統(tǒng)主要包括陀螺儀、加速度傳感器和微型處理器，通過(guò)其對(duì)人體在平衡車(chē)上體態(tài)的測(cè)量，控制系統(tǒng)及時(shí)作出方向和力的調(diào)整。陀螺儀用于測(cè)量角速度，輸出一個(gè)與角速度相關(guān)的模擬電壓信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量導(dǎo)入姿態(tài)量計(jì)算。加速度傳感器用于測(cè)量某一方向上的加速度。微型處理器整合傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，按已設(shè)定的程序，精密地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

下面對(duì)平衡車(chē)靜止時(shí)進(jìn)行受力分析：

N地是地面對(duì)平衡車(chē)的支持力，G是平衡車(chē)所受的重力，N人是人對(duì)平衡車(chē)的壓力，F(xiàn)牽是平衡車(chē)的牽引力，f阻是平衡車(chē)所受阻力的和。

受力分析如圖1、圖2所示。

由分析可知，隨著人與平衡車(chē)接觸點(diǎn)的變化，N人不斷在變化，平衡車(chē)通過(guò)改變F牽來(lái)維持平衡。

二、平衡車(chē)安全隱患

頻發(fā)的平衡車(chē)安全事故引起了社會(huì)的關(guān)注。筆者綜合事故報(bào)道、自身使用體驗(yàn)以及理論分析，將平衡車(chē)常見(jiàn)安全事故原因歸納總結(jié)如下：1.平衡車(chē)電池質(zhì)量問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于平衡車(chē)電池自燃、充電時(shí)燃燒爆炸的報(bào)道。2.駕駛者違規(guī)行駛。交通法規(guī)上平衡車(chē)和滑板、旱冰鞋被歸為一類(lèi)，不能在機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)道路上行駛。但生活中不少人直接駕駛平衡車(chē)在機(jī)動(dòng)車(chē)道路上行駛，不僅違規(guī)，還造成了極大的安全隱患。3.平衡車(chē)系統(tǒng)失控。失控后極易失去平衡，失衡后很可能造成使用者摔傷。在日常生活中，我們經(jīng)?？吹诫妱?dòng)平衡車(chē)使用者由于系統(tǒng)失控后，從平衡車(chē)上摔下來(lái)或被拋到幾米外的地方，造成人身傷害。

解決電池質(zhì)量問(wèn)題需要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及政策的配合。此外，作為用戶(hù)要購(gòu)買(mǎi)正規(guī)廠家的產(chǎn)品。在本文中，我們主要探討平衡車(chē)系統(tǒng)失控造成的危險(xiǎn)。

下面先討論平衡車(chē)碰撞的危險(xiǎn)性。

假設(shè)人駕駛平衡車(chē)與阻礙物相碰，設(shè)人的質(zhì)量為m，人駕駛平衡車(chē)的速度為v，人的動(dòng)能為E，人的動(dòng)量為p，碰撞時(shí)間為Δt，碰撞時(shí)人所受的沖擊力為F，碰后人速度為零。

通常碰撞的時(shí)間在0.1s-0.3s之間，我們?nèi)∑骄鶖?shù)0.2s。當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)：

以行駛方向?yàn)檎较?，F(xiàn)·Δt=0-mv （3）

若駕駛者質(zhì)量為65kg，行駛速度為18km/h（5m/s），聯(lián)立上述式子可得：E=812.5KJ，p=325（kg·m）/s，F(xiàn)=1625N，該程度的力足以使人從平衡車(chē)上摔下，如果碰后落地姿態(tài)不佳，則危害更大。

根據(jù)筆者對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的使用經(jīng)驗(yàn)和分析，造成平衡車(chē)失控的原因主要是：小的擾動(dòng)（磕碰、路面濕滑）-失衡-駕駛者做出大幅度動(dòng)作-失控。

當(dāng)平衡車(chē)正常行駛時(shí)，因磕碰導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)不平衡，駕駛者由于驚慌或急于尋找平衡，做出大幅度動(dòng)作，傳感器測(cè)量到人的重心的大幅度變化，平衡車(chē)會(huì)急剎或急加速，加劇了不平衡，導(dǎo)致失控。

常見(jiàn)的失控情況主要有面對(duì)復(fù)雜地形時(shí)，出現(xiàn)撞擊低矮阻礙物、坡坎等，或是遇見(jiàn)特殊情況急加速或急減速，在車(chē)上做大幅度引起重心變化的動(dòng)作等等，這些都可能促使平衡車(chē)失去平衡，導(dǎo)致側(cè)翻、使用者摔倒等事故發(fā)生，若落地姿態(tài)不佳，可能傷及重要部位。

三、平衡車(chē)改進(jìn)建議

平衡車(chē)操控上不精準(zhǔn)，某些產(chǎn)品不合格導(dǎo)致安全事故層出不窮，因此解決安全問(wèn)題是平衡車(chē)發(fā)展的重要課題。

（一）增強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)

平衡車(chē)運(yùn)用的體感技術(shù)使駕駛該類(lèi)車(chē)的人感到很簡(jiǎn)便，駕駛就像走路一樣自然。在遇到障礙物時(shí)可以隨身體的本能反應(yīng)而停止。平衡車(chē)使用時(shí)是靠電機(jī)不斷地調(diào)整才保持平衡。傳感器檢測(cè)車(chē)體姿態(tài)的變化和變化趨勢(shì)，微處理器利用伺服控制系統(tǒng)，精密地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不斷調(diào)整，以保持穩(wěn)定和平衡。

因此，保證傳感器的靈敏、微處理器的運(yùn)行速度、程序的合理是提升安全程度的訣竅。針對(duì)失控問(wèn)題，可以從程序的角度優(yōu)化：設(shè)置兩個(gè)模式：1.正常模式，即正常使用時(shí)。此時(shí)陀螺儀、加速度傳感器檢測(cè)車(chē)輛姿態(tài)，微處理器接受人體指令后控制電機(jī)，使平衡車(chē)保持平衡。2.保護(hù)模式，即傳感器檢測(cè)到較大加速度時(shí)（重心大幅度變化）。此時(shí)陀螺儀、加速度傳感器檢測(cè)車(chē)輛姿態(tài)，微處理器不再接受人體指令，按已設(shè)定的程序，保持車(chē)體穩(wěn)定的同時(shí)剎車(chē)。當(dāng)失控時(shí)（傳感器檢測(cè)到較大加速度），系統(tǒng)自動(dòng)由正常模式轉(zhuǎn)換為保護(hù)模式，平衡車(chē)以適中的速度剎車(chē)，給駕駛者反應(yīng)的時(shí)間，恢復(fù)平衡，當(dāng)人體重新平衡時(shí)（人體壓力在較小范圍波動(dòng)），回到正常模式。

另外，提高電池的安全性很重要。首先，要采用質(zhì)量合格的電池；其次，可以給電池加上保護(hù)殼，防止外力損害電池。

（二）配套護(hù)具開(kāi)發(fā)

目前針對(duì)平衡車(chē)的護(hù)具配套尚不完善，廣大平衡車(chē)使用者大多也沒(méi)有佩戴護(hù)具駕駛的習(xí)慣。但佩戴護(hù)具可以大大提高安全性。護(hù)具可以采用壓敏設(shè)計(jì)，一旦壓力達(dá)到閾值就給護(hù)具充氣，從而起到緩沖、保護(hù)的作用。

（三）選擇正確使用場(chǎng)所

平衡車(chē)作為一個(gè)保護(hù)措施較少的工具，能作為簡(jiǎn)單代步工具但不能作為長(zhǎng)途代步工具。能在開(kāi)闊、平整的路面上行駛但不能在擁擠、狹窄的地方行駛。無(wú)論從安全性還是法律的角度，平衡車(chē)都不可以行駛在機(jī)動(dòng)車(chē)道上。

注釋?zhuān)?/p>

[1]柯博元、劉哲、楊舸：《平衡車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化研究》，第十三屆中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化論壇文集，2016年，第10期。

參考文獻(xiàn)：

[1]柯博元，劉哲，楊舸.平衡車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化研究[A].第十三屆中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化論壇文集[C]，2016.

[2]黃乙舸.兩輪平衡車(chē)姿態(tài)測(cè)量及直立控制基本原理探究[J].電子世界，2017，（02）.

[3]薛凡，孫京誥，嚴(yán)懷成.兩輪平衡車(chē)的建模與控制研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，（11）.

[4]賴(lài)義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，（03）.

（作者單位：成都七中嘉祥外國(guó)語(yǔ)學(xué)校）