平衡车综合调查报告.docx
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惠州学院
寒假社会实践报告
项目名称：
负责人：
林辉联系方式：
13480516144/686144
全体队员：
洪溢彤邓庄严睿羚
指导教师：
古爱琼
调查时间：
2016年1月14日—2016年3月6日
目录
摘要：
2
1.平衡车的发展史 2
1.1平衡车的诞生 3
1.2平衡车的发展 3
2.对平衡车的市场调研 6
2.1市场情况（百度指数跟淘宝指数） 6
2.2平衡车市场需求情况 7
2.3平衡车的主要品牌及其价格 9
3.平衡车的原理构造 10
3.1平衡车直立控制原理 10
3.2平衡车的速度控制。
16
3.3平衡车的方向控制。
17
3.4.总结：
20
4．平衡车的安全隐患及其使用方法 21
4.1平衡车的安全隐患及其产生原因 21
4.2平衡车安全使用方法 24
5．人们对平衡车的认识 25
6.平衡车的优劣性比较 29
7.平衡车相关法律及配套措施 30
摘要：
2015年12月16日第二届世界互联网大会在浙江乌镇开幕，16号下午习近平主席在“互联网之光”博览会展区参观。
据新浪微博@学习粉丝团用户消息，习大大还亲自在展台体验了一把小米的平衡车，把平衡车的关注度推上了高潮，那么这个富有科技感的车，它的实用性如何，它的未来发展前景如何，我们小组将通过一系列途径去调查和分析。
关键字：
平衡车；关注度；实用性；发展前景
1.平衡车的发展史
1.1平衡车的诞生
讲到平衡车的诞生，这就要提到平衡车的鼻祖——赛格威（Segway）。
赛格威最早是起因于迪恩·卡门的DEKA与美国大型医疗器材生产商强生（Johnson&Johnson）的子公司独立科技（IndependenceTechnology）所合作开发的一种自动平衡式动力轮椅--iBOT。
卡门尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮代替人类的双脚，发展出所谓的“动态稳定”概念，并且由娇生获得这种技术在医疗领域商业销售的专利权，成立独立科技来销售iBOT。
有别于专门提供给残障或老弱人士使用、价位高昂的动力轮椅，卡门进一步想到，如果将一样的理念拿给行动正常的一般人使用未尝不可，于是开始有了赛格威的诞生概念，从此平衡车的概念诞生了。
1.2平衡车的发展
1999年7月27日-卡门创立了雅克罗责任有限公司（AcrosLLC.），主旨是利用动态稳定技术来开发生产一种高效率、零污染的运输工具，并且开始开发新产品，计划代号叫作“姜”（Ginger）。
2001年2月-新的研发与制造厂在美国新罕布夏州贝福特（Bedford,NewHampshire）破土动工。
2001年12月3日-正式公开了赛格威随意车（SegwayHT）的原型车，并且声称它是人类史上第一辆能够自主平衡（Self-Balancing）的运输工具。
2002年2月15日-该公司所在地新罕布夏州通过州法案，允许赛格威这种电动个人辅助机动装置（EPAMD）能在该州内的路旁人行道上行驶，而透过赛格威公司的到处游说，在2002年底之前，美国共有31个州通过立法，允许EPAMD能在人行道上使用。
2002年3月21日-第一辆实际量产的产品，SegwayHTi167正式出厂。
而这辆具有纪念价值的量产车，当然很自然地变为狄恩·卡门个人的收藏。
2002年3月29日-Amazon成为他们第一个经销商，并且在亚马逊网站上开放前三辆量产随意车的竞标，以便筹措资金设立一个名为“科技启发与确认”（ForInspirationandRecognitionofScienceandTechnology，FIRST）的非营利基金会，鼓励更多人投入创造发明的行列。
最后，SegwayHT的一号、二号与三号车分别以160,100美元、104,100美元与100,600美元的高价卖出。
2002年11月8日–《大众科学》杂志授予SegwayHT2002年度最佳新科学领域发明奖。
大众科学杂志每年都会对上千种新产品，新发明进行评比，选出全球最卓越，最有突破性的技术产品。
SegwayHT就在100种获奖产品之列。
2003年2月-隶属美国国防部的国防先进研究计划署（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）与赛格威签约，将15架赛格威便利车改装成机器人移动平台（RoboticMobilityPlatforms，RMP），让各相关研究机构作为一种稳定、低廉的机器人系统发展平台。
不久之后，隶属美国海军、位于加州圣地牙哥的空海作战系统司令部（SpaceandNavalWarfareSystemsCommand，SPAWAR）也跟进采购了14架RMP，并且配布给各政府与大学研究单位，作为机器人研究计划的载台，是赛格威实际应用于军事与科技发展上的衍生案例。
2003年8月28日-伊利诺斯州的芝加哥市聚集了200名SegwayHT用户和狂热者。
此地将举行首次Segway狂欢节。
这次盛典是由SegwayHT的用户发起并组织的。
该盛典主要为了庆祝SegwayHT给他们带来的完美体验。
世界各地的狂热者还参加了于佛罗里达州举办的Segway狂欢节（2004）。
2005年的举办地包括了萨克拉曼多，加利弗尼亚，华盛顿D.C.和新罕布什尔州的贝德福德市，也就是Segway的总部。
2003年10月29日-赛格威与美国大型家庭用品通路商布鲁克史东（Brookstone）达成协议，成为赛格威第一个全国性的实体销售网，期望以实际展示让潜在消费者试期的方式，拯救赛格威在上市初期，只透过网络邮购的虚拟销售方式而局限住的推广状态。
2004年3月22日-公司公布了2004美国经销商扩展计划。
吸纳合格的经销商来负责公司系列产品，零部件的推广，销售及维修。
2006年8月，美国已有超过100家授权经销商。
除了美国外有超过150个零售店在销售SegwayHT。
2004年3月30日-Segway狂热者团体宣布了美国Segway狂热者组织的正式成立。
该团体为独立组织丰富了SegwayHT驾驶经验。
各国的地方团体组织集体驾驶活动，活动包括SegwayHTPolo和为使用者提供了经验共享的机会。
SegwayLLC.旨在为成员维护及扩大他们的自由度，可以使用像SegwayHT这样的交通工具来实现这一点，同时也加强了社区对Segway产品的认同感。
至2006年7月SegwayLLC.有超过40个地方团体，大约3900个成员分布于20个国家。
2004年11月29-时代周刊在11月29日周刊中将人马座概念车评为2004年最佳创意。
2005年10月7日–Segway公司打算将其智能移动技术转给第三方。
与此同时准备和其他生产商利用此技术共同开发产品。
2006年8月–Segway产品正式进入中国，落地北京!
SegwayInc在中国大陆地区有了唯一的代理商。
2008年8月-Segway亮相北京奥运会，由成龙出席发布会并向外界公布安全保障工作进展。
为保证奥运会临时设施的安全性，提高巡视效率及突发事件的快速处理能力而专门为安保人员配备的高科技智能环保代步车。
2008年10月-广州灵动正式接棒赛格威在中国大陆地区的经销权，正式成为SegwayInc在中国的总代理。
2009年5月-为迎合法务人员及安保人士的专业需求，Segway公司推出了全新的巡逻款。
此款车有更好的安全性能并且可以更好的保障便捷性及符合警务人员的通勤及安全需求。
2009年12月24日，Segway公司被一位杰出的英国企业家-Jimi,Heselden收购。
公司继续为私人所有。
2010年3月24日-赛格威在中国上海世博会中向广大游客介绍项目名称EN-V项目。
此项目衍生于P.U.M.A.原型。
在此概念上，Segway与通用汽车合作，共同描绘了2030年的交通代步工具运用蓝图。
EN-V的原型是一种概念型两人车，它以先进的动力、超强的连通性以及感知能力破解城市交通阻塞的难题，同时它也十分的环保并具有十足的趣味性!
2011年3月-Segway公司衍生出新的商业模式并创造了“赛格威体验中心项目”。
这个新项目提供丰富的赛格威巡游地并附属于Segway公司。
作为一个被正式授权的赛格威巡游承办商，他们有权选择是否销售赛格威。
2012年1月-赛格威的全球代理商、经销商迅猛增长至250个。
80个体验中心遍布全球，为客户提供优质的产品、服务以及赛格威巡游体验。
国际网络中包括3个专业的售后服务中心，分别在美国、德国和新加坡。
2012年6月-赛格威探索史密斯学会-世界上最大的博物馆及研究所综合设施。
这是美国历史上唯一一个以个人代步工具联通国家广场和国家博物馆的案例。
2013年2月28日-赛格威被SSISegway公司收购。
公司发表声明，计划可发产品组合并向全球范围内推广个人代步工具。
2013年10月-广州为赛格威专门研发的脚控配件（Seg-Free）上市。
可通过双腿控制脚控配件，灵活控制转向，让双手得以释放，具有里程碑式的意义。
2015年4月15日，中国智能代步设备厂商Ninebot宣布，小米公司和四个资本公司投资8000万美元资金Ninebot宣全资收购全球自平衡车开创者Segway。
从概念到实现，从实现到风靡，这一路上，赛格威走得艰难重重。
但不可置否的说明：
第二波的两个趋势已经来临——智能汽车与可穿戴设备。
不仅仅是赛格威，几乎所有的汽车品牌，都开始启动在新品上开发，能加入无线网络与家庭网络环境的系统。
而包括平衡车在内，更加新酷炫的智能设备将成为个人的第三个智能链条；或者平衡车这个单品会成为打通家庭Wi-Fi环境和汽车网络的关键点——有许多可能性。
平衡车已经可以安装3GSIM卡了，那么离大规模嵌入操作系统并成为移动互联网应用平台还有多远呢？
1.对平衡车的市场调研
2.1市场情况（百度指数跟淘宝指数）
按目前市场销售数据估算，2014年智能平衡车主要体现在电动独轮车的市场销售份额占据80%，单月销售超过10万台，2015年电动扭扭车的市场销售急剧上升，单月销售量达到100万多台。
而且市场主要导向为外贸市场，占目前所有平衡车市场份额的90%以上，而且还在不断增长，国内市场基本没有启动。
1）、传统代理经销渠道:
各品牌厂商通过招募城市和区域代理经销商的形式进行下沉式销售，现在在大部分一、二线城市均有部分品牌和厂商的渠道代理经销商，由于销售模式和方案的欠缺，市场推进比较缓慢，效果不太理想。
部分品牌厂商的营销思路和投放力度大，在市场中所形成的品牌认知度和市场占有率就显著提高，占据智能车的大部分市场份额。
2）、现在一些国际的电商平台，如阿里巴巴、EBAY、中国制造网等跨境电商也纷纷上线智能平衡车类目，销售额日趋增长。
2014年度京东商城网上销售渠道搭建，单月最高独轮一款产品销售额为单店近200万元，京东商城2014年度智能平衡车销售预计超过2.8个亿。
2014年度苏宁电器门店和易购渠道上线开始销售智能平衡车类目产品，2014年度苏宁销售额近1.5个亿，线下渠道销售主要为地推品牌宣传活动。
阿里平台的主要为C店，不完全统计近1500多家的智能平衡车品牌上线销售，销售额年度为4.5亿人民币左右。
3）线下的推广活动也是把平衡车搬进民众的心。
让民众在体验中，感受到平衡车的需要。
旅游景点、游乐场所进行租赁+销售组合模式，在北上广等一、二线城市均设立直营体验馆，租售销售非常好，很多直营体验馆异常火爆，单月单店租赁费用达到近1万元。
社区体验式品牌推广活动，全国很多大中小城市，均能市场看到智能平衡车的身影，无论是短途代步，休闲娱乐，还是场地巡视，活动宣传等一系列社区体验式推广活动，品牌的宣传效果和直接的销售也是非常火爆的。
为行业的发展也奠定了很好的市场基础。
商超、Shopping MALL的品牌专柜 ，通过和赛格数码广场、大润发、好又多、家乐福等深入合作、在入口和会员休息区布置体验区，进行品牌和宣传推广和营销活动。
通过线上的宣传和线下的地推活动，将智能平衡车自有品牌在国内纷乱多杂的市场中，保证品质，树立品牌认知度和知名度，引导客户品牌忠诚度。
扩大品牌的市场占有率。
根据行业统计2014年度国内平衡车销售达200万台，市场接近11个亿人民币。
2015年，随着小米收购纳恩博强势介入，加上阿里集团的加入跟进，市场销售将超过300亿。
加上沃尔玛、苏宁、万达等重视智能设备的市场前景和投资比重，2016年预计超过1000亿的市场容量。
目前和我们在洽谈的即有沃尔玛、大润发、迪卡侬等巨头企业，并表示了强烈合作意向，未来将是一个庞大的市场。
2.2平衡车市场需求情况
从2013年至今，平衡车的关注度越来越高，平衡车的购买数量成倍增长，通过百度指数可以知道：
2013年，平衡车一词开始进入人们视野，随着时间的增长，平衡车的搜索量大大增加，到至今每天的搜索量再1500到2000之间。
再这些搜索量之中，大部分关注平衡车动向的多为有一定收入，中产阶级年轻人，而且集中分布在GDP总量较好的几个省份和城市。
分布省份
年龄层次
经过一个整体的市场发展现状分析和预估，通过我们的资源整合，分析得出：
智能平衡车的市场将会不断走出一条年轻化，多样化的路线。
2.3平衡车的主要品牌及其价格
品牌
国家
价格区间（人民币单位：
元）
主要型号
Segway（ninebot全资子公司）
美国
90000~100000
Segway脚控版、i2、x2越野版
乐行
中国
10000左右
SCVR1
Ninebot
中国
15000~39800
G1U、G1X、E
易步
未知
13800~17800
Robstep-M1、Robstep-M2
骑客
中国
8800~99800
智能休闲款、越野款、高尔夫款
奥捷骑
中国
13800~49000
越野款、高尔夫款、警用款、迷你款、城市款
耀途
中国
11999
V5+
新世纪
中国
17800~59000
i-ROBOT-LA、i-ROBOT-SC、i-ROBOT-BO
思维翼
中国
6388~9188
思维翼二代、思维翼三代、越野款、迷你款
注：
以上只调查目前主流的平衡车品牌
从表中的数据分析，我们可以看到电动平衡车的高价让人望而却步。
接下来进行分析，就以表中的美国品牌Segway作代表为例，其实很多专家都对它为代表的电动平衡车寄予厚望，认为它或许可以带来人类运输方式的变革。
然而，电动平衡车的市场销售情况远不如预期。
那么平衡车价格高价的原因是什么？
一方面原因在于电动平衡车本身采用的大量先进科技;另一方面，也在于Segway为首的业内大公司的技术垄断，由于技术垄断，许多品牌被迫下架，造成平衡电动车独属于高端消费者的市场状况。
但事实上，平衡车从研发到真正的市场推广都需要一段比较长的时间，大公司必须通过技术专利垄断回收早期投资。
其实从表中来看，在目前的主流品牌中，中国品牌的数量还是占很大一部分优势的，因此如果本土的平衡车品牌想要引导平衡车主流，抢占先机，只有两种选择：
要么购买专利，要么自主研发。
而对于消费者来说，短期内并不能期待捡到大便宜。
3.平衡车的原理构造
3.1平衡车直立控制原理
（1）平衡控制：
通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；
（2）速度控制：
通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。
（3）方向控制：
通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。
（4）平衡车的平衡控制
控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。
一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手指尖上保持直立。
这需要两个条件：
一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。
通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。
这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制，参见图2-4。
世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己指尖上直立，因为没有了眼睛观察进行负反馈。
车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。
因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。
控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。
如图2-5所示。
那么车轮如何运行，才能够最终保持车体平衡稳定？
为了回答这个问题，可以通过建立车模的运动学和动力学数学模型，设计反馈控制来保证车模的平衡。
为了使得大家能够比较清楚理解其中的物理过程。
下面通过对比单摆模型来说明保持车模平衡的控制规律。
重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。
直立着的车模可以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆。
如图2-6所示。
而对普通的单摆受力分析如图2-7所示。
当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。
这个力称之为回复力，其大小为
F=−mgsinθ≈mgθ
在偏移角度很小的情况下，回复力与偏移的角度之间大小成正比，方向相反。
在此回复力作用下，单摆便进行周期运动。
在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。
空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。
阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。
图2-8显示出不同阻尼系数下，单摆的运动曲线。
总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个：
①受到与位移（角度）相反的恢复力；
②受到与运动速度（角速度）相反的阻尼力。
如果没有阻尼力，单摆会在垂直位置左右摆动。
阻尼力会使得单摆最终停止在垂直位置。
阻尼力过小（欠阻尼）会使得单摆在平衡位置附件来回震荡。
阻尼力过大（过阻尼）会使得单摆到达平衡位置时间加长。
因而存在一个临界阻尼系数，使得单摆稳定在平衡位置的时间最短。
为什么倒立摆在垂直位置时，在受到外部扰动的情况下，无法保持稳定呢？
分析倒立摆的受力，如图2-9所示。
下面对倒立车模进行简单数学建模，然后建立速度的比例微分负反馈控制，根据基本控制理论讨论车模通过闭环控制保持稳定的条件。
假设倒立车模简化成高度为L，质量为m的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。
假设外力干扰引起车模产生角加速度x（t）。
沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度a（t）以及外力干扰加速度x（t）之间的运动方程。
如图2-11所示。
θ为车模倾角；θ'为角速度；k1、k2均为比例系数。
对应车模静止时，系统输入输出的传递函数为：
此时系统具有两个极点。
一个极点位于s平面的右半平面，因此车模不稳定。
车模引入比例、微分反馈之后的系统如下图所示：
系统传递函数为：
此时两个系统极点位于：
。
系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面。
要满足这一点，需要
。
由此可以得出结论，当时，直立车模可以稳定。
这与前面通过分析所得出的结论是一致的。
在角度反馈控制中，与角度成比例的控制量是称为比例控制；与角速度成比例的控
制量称为微分控制（角速度是角度的微分）。
因此上面系数分别称为比例和微分控制参数。
其中微分参数相当于阻尼力，可以有效抑制车模震荡。
通过微分抑制控制震荡的思想在后面的速度和方向控制中也同样适用。
总结控制车模直立稳定的条件如下：
①能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小；
②可以控制车轮的加速度。
3.2平衡车的速度控制。
对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。
由于在速度控制过程中需要始终保持车模的平衡，因此车模速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现。
下面先分析一下引起车模速度变化的原因。
假设车模在上面直立控制调节下已经能够保持平衡了，但是由于安装误差，传感器实际测量的角度与车模角度有偏差，因此车模实际不是保持与地面垂直，而是存在一个倾角。
在重力的作用下，车模就会朝倾斜的方向加速前进。
图2-2显示了这个关系。
控
制速度只要通过控制车模的倾角就可以实现了。
具体实现需要解决三个问题：
（1）如何测量车模速度？
（2）如何通过车模直立控制实现车模倾角的改变？
（3）如何根据速度误差控制车模倾角？
第一个问题可以通过安装在电机输出轴上的光码盘来测量得到车模的车轮速度，利用控制单片机的计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号的个数可以反映电机的转速。
如图2-25所示。
第二个问题可以通过角度控制给定值来解决。
给定车模直立控制的设定值，在角度控制调节下，车模将会自动维持在一个角度。
通过前面车模直立控制算法可以知道，车模倾角最终是跟踪重力加速度Z轴的角度。
因此车模的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，便可以最终决定车模的倾角。
第三个问题分析起来相对比较困难，远比直观进行速度负反馈分析复杂。
首先对一个简单例子进行分析。
假设车模开始保持静止，然后增加给定速度，为此需要车模往前倾斜以便获得加速度。
在车模直立控制下，为了能够有一个往前的倾斜角度，车轮需要往后运动，这样会引起车轮速度下降（因为车轮往负方向运动了）。
由于负反馈，使得车模往前倾角需要更大。
如此循环，车模很快就会倾倒。
原本利用负反馈进行速度控制反而成了“正”反馈。
而震荡问题的解决，需要在控制反馈中增加速度微分控制。
3.3平衡车的方向控制。
（1）道路电磁中心线的偏差检测：
道路电磁中心线检测简单的方法可以通过安装在车模前方的两个电磁感应线圈实现。
线圈一般采用10mH的工字型电感。
如图2-35所示。
（2）电机差动控制：
利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。
如图2-36所示。
方向控制算法根据车模检测到电磁感应电压来生成电机差动控制量。
通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。
通过调整车模的方向，再加上车前行运动，可以逐步消除车模距离中心线的距离差别。
这个过程是一个积分过程，因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。
但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得车模冲出赛道。
根据前面角度和速度控制的经验，为了消除车模方向控制中的过冲，需要增加微分控制。
（微分控制就是根据车模方向的变化率对电机差动控制量进行修正的控制方式），因此需要增加车模的转动速度检测传感器。
可以使用陀螺仪传感器进
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