浅谈电动平衡车安全性及改进

尹浩宇

摘要：电动平衡车是一种操作简单、反应灵敏的新型代步及娱乐工具，随着智能化进程的推进逐渐进入了我们的生活，但由于其稳定性、保护措施等方面的不足，目前使用平衡车仍存在较大的安全隐患。本文基于对平衡车的概况进行梳理和分析，探究电动平衡车在操控系统、使用场所等方面的安全问题。

关键词：智能科技 电动平衡车 安全隐患

随着科技的迅速发展，智能科技不断融入人们的生活，“智能化”逐渐成为当前的热点词汇，未来的设备必然朝着轻便、智能化的方向发展，电动平衡车应运而生。电动平衡车（简称平衡车）是一种归类于智能机器人类别下的新型代步及娱乐工具，因其体积小、灵便、操作简单而受到广大青少年喜爱。

但正当电动平衡车穿梭于大街小巷、小区及公园等场所时，平衡车安全事故也在不断发生：2018年7月29日，北京朝阳一小区内平衡车充电时电池爆燃；2018年3月10日，郑州市沙先生骑平衡车时因平衡车突然断电，整个人飞出摔伤；2016年6月16日，一名上海市民驾驶平衡车时平衡车骤停，造成多处软组织挫伤……诸如此类的事故还有很多，由此可见，平衡车在进入人们生活的道路上，仍存在许多安全隐患。本文基于对电动平衡车的综合分析，对平衡车的安全性进行探究，为实现平衡车的安全使用提出可行性建议。

一、平衡车概况

电动平衡车的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，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[1]。自本世纪初第一台平衡车在美国问世以来，逐步在世界各国推广，近十年来在全国快速普及，我国生产主要集中在江浙和广东一带，主要有单轮、双轮两种类型的电动平衡车。

平衡车的控制系统主要包括陀螺仪、加速度传感器和微型处理器，通过其对人体在平衡车上体态的测量，控制系统及时作出方向和力的调整。陀螺仪用于测量角速度，输出一个与角速度相关的模拟电压信号，再转换为数字量导入姿态量计算。加速度传感器用于测量某一方向上的加速度。微型处理器整合传感器的测量数据，按已设定的程序，精密地驱动电机。

下面对平衡车静止时进行受力分析：

N地是地面对平衡车的支持力，G是平衡车所受的重力，N人是人对平衡车的压力，F牵是平衡车的牵引力，f阻是平衡车所受阻力的和。

受力分析如图1、图2所示。

由分析可知，随着人与平衡车接触点的变化，N人不断在变化，平衡车通过改变F牵来维持平衡。

二、平衡车安全隐患

频发的平衡车安全事故引起了社会的关注。笔者综合事故报道、自身使用体验以及理论分析，将平衡车常见安全事故原因归纳总结如下：1.平衡车电池质量问题。在国内外都有关于平衡车电池自燃、充电时燃烧爆炸的报道。2.驾驶者违规行驶。交通法规上平衡车和滑板、旱冰鞋被归为一类，不能在机动车、非机动车道路上行驶。但生活中不少人直接驾驶平衡车在机动车道路上行驶，不仅违规，还造成了极大的安全隐患。3.平衡车系统失控。失控后极易失去平衡，失衡后很可能造成使用者摔伤。在日常生活中，我们经常看到电动平衡车使用者由于系统失控后，从平衡车上摔下来或被抛到几米外的地方，造成人身伤害。

解决电池质量问题需要相关标准及政策的配合。此外，作为用户要购买正规厂家的产品。在本文中，我们主要探讨平衡车系统失控造成的危险。

下面先讨论平衡车碰撞的危险性。

假设人驾驶平衡车与阻碍物相碰，设人的质量为m，人驾驶平衡车的速度为v，人的动能为E，人的动量为p，碰撞时间为Δt，碰撞时人所受的冲击力为F，碰后人速度为零。

通常碰撞的时间在0.1s-0.3s之间，我们取平均数0.2s。当撞击发生时：

以行驶方向为正方向，F·Δt=0-mv （3）

若驾驶者质量为65kg，行驶速度为18km/h（5m/s），联立上述式子可得：E=812.5KJ，p=325（kg·m）/s，F=1625N，该程度的力足以使人从平衡车上摔下，如果碰后落地姿态不佳，则危害更大。

根据笔者对电动平衡车的使用经验和分析，造成平衡车失控的原因主要是：小的扰动（磕碰、路面湿滑）-失衡-驾驶者做出大幅度动作-失控。

当平衡车正常行驶时，因磕碰导致状态不平衡，驾驶者由于惊慌或急于寻找平衡，做出大幅度动作，传感器测量到人的重心的大幅度变化，平衡车会急刹或急加速，加剧了不平衡，导致失控。

常见的失控情况主要有面对复杂地形时，出现撞击低矮阻碍物、坡坎等，或是遇见特殊情况急加速或急减速，在车上做大幅度引起重心变化的动作等等，这些都可能促使平衡车失去平衡，导致侧翻、使用者摔倒等事故发生，若落地姿态不佳，可能伤及重要部位。

三、平衡车改进建议

平衡车操控上不精准，某些产品不合格导致安全事故层出不穷，因此解决安全问题是平衡车发展的重要课题。

（一）增强保护系统

平衡车运用的体感技术使驾驶该类车的人感到很简便，驾驶就像走路一样自然。在遇到障碍物时可以随身体的本能反应而停止。平衡车使用时是靠电机不断地调整才保持平衡。传感器检测车体姿态的变化和变化趋势，微处理器利用伺服控制系统，精密地驱动电机，不断调整，以保持稳定和平衡。

因此，保证传感器的灵敏、微处理器的运行速度、程序的合理是提升安全程度的诀窍。针对失控问题，可以从程序的角度优化：设置两个模式：1.正常模式，即正常使用时。此时陀螺仪、加速度传感器检测车辆姿态，微处理器接受人体指令后控制电机，使平衡车保持平衡。2.保护模式，即传感器检测到较大加速度时（重心大幅度变化）。此时陀螺仪、加速度传感器检测车辆姿态，微处理器不再接受人体指令，按已设定的程序，保持车体稳定的同时刹车。当失控时（传感器检测到较大加速度），系统自动由正常模式转换为保护模式，平衡车以适中的速度刹车，给驾驶者反应的时间，恢复平衡，当人体重新平衡时（人体压力在较小范围波动），回到正常模式。

另外，提高电池的安全性很重要。首先，要采用质量合格的电池；其次，可以给电池加上保护壳，防止外力损害电池。

（二）配套护具开发

目前针对平衡车的护具配套尚不完善，广大平衡车使用者大多也没有佩戴护具驾驶的习惯。但佩戴护具可以大大提高安全性。护具可以采用压敏设计，一旦压力达到阈值就给护具充气，从而起到缓冲、保护的作用。

（三）选择正确使用场所

平衡车作为一个保护措施较少的工具，能作为简单代步工具但不能作为长途代步工具。能在开阔、平整的路面上行驶但不能在拥挤、狭窄的地方行驶。无论从安全性还是法律的角度，平衡车都不可以行驶在机动车道上。

注释：

[1]柯博元、劉哲、杨舸：《平衡车标准化研究》，第十三届中国标准化论坛文集，2016年，第10期。

参考文献：

[1]柯博元，刘哲，杨舸.平衡车标准化研究[A].第十三届中国标准化论坛文集[C]，2016.

[2]黄乙舸.两轮平衡车姿态测量及直立控制基本原理探究[J].电子世界，2017，（02）.

[3]薛凡，孙京诰，严怀成.两轮平衡车的建模与控制研究[J].化工自动化及仪表，2012，（11）.

[4]赖义汉，王凯.基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J].河南工程学院学报，2014，（03）.

（作者单位：成都七中嘉祥外国语学校）