SEGlife la Fleesensee
Principiul de funcționare
Când Dean Kamen a prezentat Segway Personal Transporter (PT) la emisiunea ABC "Good Morning America", el a descris dispozitivul ca fiind "primul mijloc de transport auto-echilibrat pentru oameni". Dacă privești dispozitivul în mișcare, înțelegi ce înseamnă el. Spre deosebire de o mașină, Segway are doar două roți. Lucrul special în acest sens: este capabil să stea în poziție verticală independent.
Pentru a urca pe Segway PT înainte sau înapoi pentru a se deplasa, șoferul se apleacă ușor înainte sau înapoi. Până după stanga sau dreapta Pentru a conduce, șoferul pur și simplu mișcă LeanSteer Ghidon stanga sau dreapta.
Cum funcționează stabilizarea dinamică
Capacitatea de a menține independent echilibrul este cea mai fascinantă calitate a Segway PT și este cheia funcționării sale. Pentru a înțelege cum funcționează acest sistem, este util să ne uităm la modelul lui Kamen pentru dispozitiv - corpul uman.
Dacă te ridici și te apleci înainte, încât îți pierzi echilibrul, de obicei nu vei cădea pe față. Creierul știe că ești dezechilibrat, deoarece fluidul din urechea ta internă s-a mișcat. Așa că vă solicită să vă mișcați piciorul înainte pentru a evita căderea. Atâta timp cât vă aplecați înainte, creierul va continua să vă miște picioarele înainte. În loc să cadă, se înaintează, pas cu pas.
Segway PT face cam același lucru, cu excepția faptului că are roți în loc de picioare, un motor în loc de mușchi, o colecție de microprocesoare în loc de creier și un grup de senzori de echilibru sofisticate în loc de simțul echilibrului din urechea internă. La fel ca și creierul nostru, Segway PT știe când să se aplece înainte. Pentru a menține echilibrul, rotește roțile exact cu viteza potrivită și mergeți înainte. Segway numește acest comportament "Stabilizare dinamică„și a brevetat acest proces unic care permite Segway PT să se echilibreze pe doar două roți.
Creierul și mușchii
Segway PT constă dintr-unul rețea inteligentă de senzori, componente mecanice, un sistem de acționare și sisteme de control. În momentul în care calci dispozitivul, cinci senzori giroscopici și doi senzori de accelerație încep să analizeze terenul și poziția corpului tău de 100 de ori pe secundă.
Segway PT utilizează un senzor special de unghi solid. Acest tip de senzor de giroscop evaluează rotația unui obiect la o scară foarte mică, ținând cont de efectul Coriolis.
Forța Coriolis descrie efectul că corpurile în mișcare sunt deviate într-un sistem de referință rotativ din punctul de vedere al unui observator co-rotativ. De exemplu, dacă observați un avion care pare să zboare în linie dreaptă, această linie apare curbată deoarece pământul se mișcă sub.
Segway PT are cinci Senzori giroscopici, deși ar avea nevoie doar de trei pentru a obține Schimbarea greutății Măsurați în față și înapoi (numit „pitch”), deplasarea greutății la stânga și la dreapta (numită „rolă”) și direcționarea la stânga sau la dreapta (numită „yaw”). Senzorii suplimentari sunt utilizați pentru redundanță pentru a face produsul și mai fiabil. Informațiile despre schimbarea greutății șoferului și mișcările sale de direcție sunt transmise către „creierul” Segway PT împreună cu informațiile de la senzori de unghi de înclinare suplimentari.
Creierul este format din două plăci electronice redundante, fiecare echipată cu un grup de microprocesoare. Bateriile și înfășurările motorului sunt, de asemenea, duplicate. Acestea funcționează împreună și împărtășesc volumul de muncă necesar pentru a le conduce. Segway PT are, de asemenea, câteva microprocesoare suplimentare. Vehiculul are nevoie de o capacitate de calcul atât de mare, deoarece trebuie să facă calcule precise în cel mai scurt timp posibil pentru a preveni răsturnarea sa. Dacă o placă de circuit nu funcționează în timp ce conduceți (sau bateria, înfășurările motorului sau cablurile asociate), cealaltă jumătate preia toate funcțiile. Sistemul informează conducătorul auto despre eroare și poate fi dezactivat în mod controlat.
Microprocesoarele sunt utilizate de un software avansat care controlează vehiculul. Acest program monitorizează toate informațiile care sosesc de la senzorii giroscopului și reglează viteza motoarelor electrice în consecință. Motoarele electrice, care sunt alimentate de două baterii reîncărcabile litiu-ion, pot deplasa fiecare roată independent la viteze diferite.
Când vehiculul este aplecat înainte, motoarele deplasează ambele roți înainte pentru a preveni răsturnarea acestuia. Când vehiculul este înclinat înapoi, motoarele deplasează ambele roți înapoi. Când șoferul răstoarnă ghidonul LeanSteer pentru a vira la stânga sau la dreapta, motoarele mișcă o roată mai repede decât cealaltă sau deplasează roțile în direcții opuse pentru a face ca vehiculul să se întoarcă. În timp ce conduceți, Segway PT direcționează exact raza corectă a curbei, care este necesară pentru a menține echilibrul, ținând cont de forțele centrifuge.
Tehnologie și componente
SEGWAY conține zeci de piese individuale care au fost atent proiectate, fabricate și testate pentru a funcționa împreună într-o unitate sincronă. Componentele SEGWAY HT descrise mai jos includ circuitele de comandă, senzorii de echilibru, motoare, roți dințate, anvelope, roți și baterii.
Unitatea de comandă
Două plăci de control sofisticate de la Delphi Electronics asigură atât creierul, cât și mușchii sistemului. Delphi Electronics a fost selectat ca partener pe baza experienței lor în fabricarea în masă a produselor electronice de înaltă calitate pentru aplicații la fel de solicitante ca airbag-urile.
Fiecare placă de control este echipată cu un procesor de semnal Texas Instruments care monitorizează întregul sistem SEGWAY HT și verifică de 100 de ori pe secundă dacă există erori sau alte condiții care necesită un răspuns imediat. Citește informațiile de la senzorii de echilibru (BSA) pentru a determina dacă șoferul se apleacă înainte sau înapoi. Aceste informații determină imediat energia din baterii să fie direcționată către motoare printr-un set de 12 "tranzistoare cu efect de câmp de mare curent" (FET). Aceste calcule au loc de o sută de ori pe secundă, iar motoarele sunt reglate de până la o mie de ori pe secundă - un timp de răspuns mult mai mare decât percepția umană. Deși fiecare placă de control poate controla pe deplin SEGWAY HT dacă cealaltă placă eșuează (fiecare placă este conectată la circuitul electric al ambelor motoare), puterea de calcul este partajată în condiții normale de funcționare.
Senzori de echilibru
Rețeaua de senzori de echilibru (BSA), fabricată de Silicon Sensing Systems, este un dispozitiv elegant, extrem de robust, dar extrem de sensibil.
Acest mic cub, de aproximativ 3 inci lungime, conține cinci senzori de transportor cu inel fix (giroscop) care utilizează efectul Coriolis pentru a măsura viteza de rotație. Aceste inele minuscule sunt făcute să vibreze electromecanic. Când acestea sunt rotite, se generează o forță mică care poate fi măsurată prin intermediul electronicii senzorului intern.
Fiecare giroscop este atașat la unghiul său, ceea ce permite măsurarea diferitelor direcții de mișcare. Computerele de bord ale SEGWAY compară continuu informațiile de la toate cele cinci giroscopuri pentru a decide dacă unul dintre cei cinci senzori furnizează date incorecte. În acest caz, datele de la senzorii rămași vor fi folosiți până când va avea loc o oprire de siguranță controlată.
Doi senzori de înclinație, care sunt umpluți cu un lichid electrolitic, oferă informații despre gravitație - în același mod în care urechea noastră internă funcționează cu simțul nostru de echilibru. BSA este monitorizat de două microprocesoare independente și este împărțit în două jumătăți independente din motive de redundanță. Chiar și comunicarea dintre jumătăți este optică pentru a preveni răspândirea defectelor electrice de pe o parte pe cealaltă.
Motoare
Motoarele SEGWAY HT sunt unice în multe feluri. Fabricate de Pacific Scientific, o divizie a Danaher, acestea sunt cele mai puternice motoare din clasa lor de greutate și dimensiune care au intrat vreodată în producția de masă. Fiecare motor oferă o putere continuă de 1,5 KW - adică 2 CP!
Motoarele utilizează tehnologia servo fără perii, ceea ce înseamnă că nu există contacte care să se uzeze și să reducă performanța. Magneții sunt fabricați dintr-un metal foarte puternic al pământului rar: neodim-fier-bor. Fiecare motor este echipat cu două înfășurări independente, fiecare dintre ele fiind controlat de propria sa placă de control. În condiții normale de funcționare, ambele înfășurări funcționează în paralel și împart sarcina. În cazul unei defecțiuni, motorul este capabil să dezactiveze imediat partea defectă și să folosească înfășurările rămase pentru a menține controlul SEGWAY HT până când este oprit. Motorul a fost atent reglat pentru o putere de până la 8.000 de rotații pe minut, ceea ce permite niveluri foarte ridicate de putere într-un pachet mic. Senzorii analogici redundanți, fără contact, oferă feedback de la motor către SEGWAY HT prin măsurarea poziției magneților. Axa motorului este singura parte în mișcare.
transmitere
Anvelope și roți
Michelin a fost unul dintre primii parteneri în dezvoltarea SEGWAY HT. Anvelopele SEGWAY HT au fost special dezvoltate pentru acest produs, folosind un compus unic pentru anvelope (un compus cu dioxid de siliciu în locul materialelor pe bază de carbon utilizate în mod tradițional). Aceasta oferă o reținere sporită și minimizează formarea semnelor, în special pe suprafețele interioare. Anvelopele sunt tubeless și necesită doar o presiune internă scăzută a pneurilor. Această dezvoltare specială crește confortul la volan și minimizează rezistența la frecare.
Anvelopa este montată pe o roată la fel de unică: roata este fabricată dintr-un material termoplastic de inginerie avansat selectat în colaborare cu GE Plastics. Materialul compozit permite o greutate redusă, o durabilitate excelentă și reduce zgomotul din sistemul de acționare. Roata este turnată în jurul unui cadru din oțel forjat, fără a utiliza elemente de fixare care ar putea deveni slăbite în timp. Suspensia dintre acest cadru și raportul de transmisie este realizată de un sistem de con hexagonal brevetat. Roata poate fi astfel montată sau îndepărtată cu o singură piuliță, dar are totuși siguranța sistemului cu șuruburi multiple utilizat în mod obișnuit în aplicațiile convenționale.
Baterii
SEGWAY HT folosește două baterii NiMH de 72 volți dezvoltate în cooperare cu SAFT (un subcontractor al Alcatel). Aceste celule hibrid nichel-metal oferă cea mai mare performanță energetică posibilă în conformitate cu chimia disponibilă astăzi. Acestea au fost optimizate pentru a menține SEGWAY HT echilibrat în cele mai extreme condiții. Acestea nu sunt baterii obișnuite de telefon mobil!
Fiecare baterie constă dintr-o rețea de celule performante și o placă de control special dezvoltată, care monitorizează permanent temperatura și tensiunea bateriei în diferite puncte. Această componentă este inclusă într-o altă aplicație unică de la GE Thermoplastics. Cutia bateriei este etanșată folosind o metodă de sudare prin vibrații, care formează o structură unică și continuă din exteriorul compozitului. Etanșarea protejează împotriva umezelii și este atât de puternică încât a rezistat la toate testele extreme la care tehnicienii noștri s-au gândit fără probleme.
Componentele electronice integrate în baterie permit încărcarea „inteligentă”. Proprietarul trebuie doar să conecteze SEGWAY HT la o priză, iar bateria selectează automat viteza de încărcare adecvată în funcție de temperatură, tensiune și nivelul de încărcare. Bateriile se încarcă rapid și apoi intră în modul de echilibrare și întreținere. Proprietarul SEGWAY HT nu trebuie să-și facă griji cu privire la sincronizare - doar conectați-l și restul se face automat.
În condiții normale de funcționare, SEGWAY HT monitorizează cu atenție ambele baterii și descarcă bateriile uniform. În cazul improbabil al unei defecțiuni a bateriei, sistemul poate funcționa și pe o singură baterie și va menține echilibrul până când va fi oprit în siguranță.
Cum se simte
Conducerea pe Segway PT nu poate fi comparată cu nicio altă experiență, deoarece nimic asemănător nu s-a mai făcut până acum. Pasul și instinctele vă vor spune cum să vă mențineți echilibrul, la fel ca orice alt mijloc de transport obișnuit pe două roți. Aproape instantaneu, veți observa că Segway se echilibrează pentru dvs., ca și cum ar fi o extensie a corpului dumneavoastră. Înclină-te puțin înainte și vei vedea că Segway PT nu te transportă singur, ci răspunde la tine și instrucțiunile tale.
Îți amintești de vise în care simțeai că zbori? Simțiți libertate, seninătate și încredere. Simți că pământul se mișcă sub tine, dar nu îl atingi. Alunecă peste el. Simțiți forță și viteză, simțiți siguranță și control complet. Totul se simte natural, sigur și instinctiv. Este senzația de a conduce un Segway PT.
Iată ce au spus oamenii care au călărit pe Segway PT despre proprietățile sale intuitive și glisante:
"Opinia mea este că Segway HT este foarte distractiv de condus. Este sigur, stabil și o aplicație impresionantă a tehnologiei digitale. Este ușor de învățat să călărești și, din multe puncte de vedere, fantastic."
Walt Mossberg, Wall Street Journal
„Conducerea unui Segway este atât de intuitivă încât pare că este cumva conectată la sistemul nervos central”.
Revista Fortune
"Segway-ul este incredibil de stabil, indiferent dacă este staționar sau de conducere."
Dan Bricklin, co-inventator al VisiCalc, prima foaie de calcul electronică