SEGlife vo Fleesensee
Pracovný princíp
Keď Dean Kamen uviedol reláciu Segway Personal Transporter (PT) v relácii ABC „Good Morning America“, označil toto zariadenie za „prvý samovyvažovací dopravný prostriedok na svete pre ľudí“. Ak sa pozriete na zariadenie v pohybe, pochopíte, čo to znamená. Na rozdiel od automobilu má Segway iba dve kolesá. Špeciálna vec: je schopný samostatne stáť vzpriamene.
Nastúpiť na Segway PT dopredu alebo dozadu pre pohyb sa vodič mierne nakloní dopredu alebo dozadu. Až potom ľavá alebo pravá Ak chcete riadiť, vodič jednoducho presunie LeanSteer Riadidlá ľavá alebo pravá.
Ako funguje dynamická stabilizácia
Schopnosť samostatne udržiavať rovnováhu je tou najfascinujúcejšou kvalitou modelu Segway PT a je kľúčom k jeho fungovaniu. Aby sme pochopili, ako tento systém funguje, je užitočné pozrieť sa na Kamenov model prístroja - ľudského tela.
Ak vstanete a predkloníte sa tak ďaleko, že stratíte rovnováhu, zvyčajne vám nespadne na tvár. Mozog vie, že ste v nerovnováhe, pretože sa vám pohla tekutina vo vnútornom uchu. Preto vás vyzve, aby ste nohu posunuli dopredu, aby nedošlo k pádu. Pokiaľ sa predkloníte, mozog bude neustále posúvať vaše chodidlá dopredu. Namiesto pádu idete vpred, krok za krokom.
Segway PT robí skoro to isté, až na to, že má namiesto chodidiel kolesá, namiesto svalov motor, namiesto mozgu kolekciu mikroprocesorov a namiesto pocitu rovnováhy vo vnútornom uchu sadu sofistikovaných senzorov rovnováhy. Rovnako ako náš mozog, aj Segway PT vie, kedy sa má predkloniť. Pre udržanie rovnováhy natočí kolesá presne správnou rýchlosťou a vy idete vpred. Segway toto správanie nazýva „Dynamická stabilizácia„a nechal si patentovať tento jedinečný proces, ktorý umožňuje Segwayu PT vyvážiť iba na dvoch kolesách.
Mozog a svaly
Segway PT sa skladá z jedného inteligentná sieť senzorov, mechanických komponentov, pohonného systému a riadiacich systémov. V okamihu, keď stúpite na zariadenie, päť senzorov gyroskopu a dva senzory zrýchlenia začnú analyzovať terén a polohu vášho tela 100-krát za sekundu.
Segway PT používajú špeciálny polovodičový snímač uhla. Tento typ gyroskopického snímača hodnotí rotáciu objektu vo veľmi malom meradle, pričom zohľadňuje Coriolisov efekt.
Coriolisova sila popisuje efekt, že pohybujúce sa telesá sú vychýlené v rotujúcom referenčnom systéme z pohľadu spoluotáčajúceho pozorovateľa. Napríklad, ak pozorujete lietadlo, ktoré vyzerá, že letí v priamke, bude sa táto čiara javiť zakrivená, pretože Zem sa pohybuje dole.
Segway PT ich má päť Senzory gyroskopu, hoci na získanie by mu stačili tri Posun hmotnosti Zmerajte predok a zadok (nazývané „stúpanie“), posun hmotnosti doľava a doprava (nazývaný „kotúľanie“) a riadenie doľava alebo doprava (nazývané „vybočenie“). Dodatočné snímače sa používajú na redundanciu, aby bol výrobok ešte spoľahlivejší. Informácie o posune hmotnosti vodiča a jeho pohyboch riadenia sú smerované do „mozgu“ modelu Segway PT spolu s informáciami z ďalších snímačov uhla sklonu.
Mozog tvoria dve redundantné dosky s elektronickými obvodmi, každá vybavená skupinou mikroprocesorov. Batérie a vinutia motora sú tiež duplikované. Tieto spolupracujú a zdieľajú pracovné zaťaženie potrebné na ich dosiahnutie. Segway PT má tiež niekoľko ďalších mikroprocesorov. Vozidlo potrebuje toľko výpočtovej kapacity, pretože musí vykonať presné výpočty v čo najkratšom čase, aby sa zabránilo jeho prevráteniu. Ak zlyhá obvodová doska počas jazdy (alebo s ňou spojená batéria, vinutie motora alebo zapojenie), druhá polovica prevezme všetky funkcie. Systém informuje vodiča o chybe a je možné ho kontrolovane deaktivovať.
Mikroprocesory využíva pokročilý softvér na riadenie vozidla. Tento program monitoruje všetky informácie prichádzajúce zo senzorov gyroskopu a podľa toho upravuje rýchlosť elektromotorov. Elektromotory, ktoré sú napájané dvoma nabíjateľnými lítium-iónovými batériami, môžu každé koleso pohybovať nezávisle pri rôznych rýchlostiach.
Ak je vozidlo naklonené dopredu, motory posunú obe kolesá dopredu, aby sa zabránilo prevráteniu. Keď je vozidlo naklonené dozadu, motory pohnú obe kolesá dozadu. Keď vodič preklopí riadidlá LeanSteer tak, aby sa stočili doľava alebo doprava, motory sa pohnú o jedno koleso rýchlejšie ako druhé alebo naopak, aby sa vozidlo zatočilo, pohybom kolies v protismere. Počas jazdy Segway PT riadi presne ten pravý polomer oblúka, ktorý je nevyhnutný na udržanie rovnováhy pri zohľadnení odstredivých síl.
Technológia a komponenty
SEGWAY obsahuje desiatky jednotlivých dielov, ktoré boli starostlivo navrhnuté, vyrobené a testované na spoluprácu v synchrónnej jednotke. Ďalej popísané komponenty SEGWAY HT zahŕňajú riadiace obvody, snímače vyváženia, motory, ozubené kolesá, pneumatiky, kolesá a batérie.
Kontrolná jednotka
Dve sofistikované riadiace dosky od spoločnosti Delphi Electronics poskytujú systému ako mozog, tak aj svaly. Spoločnosť Delphi Electronics bola vybraná ako partner na základe skúseností so sériovou výrobou vysoko kvalitnej automobilovej elektroniky pre také náročné aplikácie ako airbagy.
Každá riadiaca doska je vybavená signálnym procesorom Texas Instruments, ktorý monitoruje celý systém SEGWAY HT a 100-krát za sekundu kontroluje chyby alebo iné podmienky, ktoré si vyžadujú okamžitú reakciu. Číta informácie zo senzorov vyváženia (BSA), aby zistil, či sa vodič nakláňa dopredu alebo dozadu. Táto informácia okamžite spôsobí, že energia z batérií bude smerovaná do motorov prostredníctvom sady 12 „tranzistorov s vysokou energiou a efektom poľa s vysokým prúdom“ (FET). Tieto výpočty sa uskutočňujú stokrát za sekundu a motory sa upravujú až tisíckrát za sekundu - čas odozvy, ktorý je oveľa väčší ako čas vnímania človekom. Aj keď každá riadiaca doska môže plne ovládať SEGWAY HT, ak druhá doska zlyhá (každá doska je pripojená k elektrickým obvodom oboch motorov), výpočtový výkon sa za bežných prevádzkových podmienok delí.
Senzory vyváženia
Sieť váhových senzorov (BSA), vyrobená spoločnosťou Silicon Sensing Systems, je elegantne postavené, mimoriadne robustné, ale mimoriadne citlivé zariadenie.
Táto malá kocka, dlhá asi 3 palce, obsahuje päť senzorov uhlomera s pevným prstencom (gyroskopy), ktoré na meranie rýchlosti otáčania využívajú Coriolisov efekt. Tieto malé krúžky sú vyrobené tak, aby elektromechanicky vibrovali. Pri ich otáčaní vzniká malá sila, ktorú je možné merať vnútornou elektronikou snímača.
Každý gyroskop je pripevnený pod vlastným uhlom, ktorý umožňuje meranie rôznych smerov pohybu. Palubné počítače SEGWAY nepretržite porovnávajú informácie zo všetkých piatich gyroskopov s cieľom rozhodnúť, či jeden z piatich senzorov dodáva nesprávne údaje. V takom prípade sa údaje zo zostávajúcich snímačov používajú až do uskutočnenia riadeného bezpečnostného vypnutia.
Dva snímače sklonu, ktoré sú naplnené elektrolytickou kvapalinou, poskytujú informácie o gravitácii - rovnako ako naše vnútorné ucho pracuje s pocitom rovnováhy. BSA je monitorovaný dvoma nezávislými mikroprocesormi a je z dôvodu nadbytočnosti rozdelený na dve nezávislé polovice. Aj komunikácia medzi polovicami je optická, aby sa zabránilo rozšíreniu elektrických porúch z jednej strany na druhú.
Motory
Motory SEGWAY HT sú v mnohom jedinečné. Vyrobené spoločnosťou Pacific Scientific, divíziou spoločnosti Danaher, sú to najvýkonnejšie motory vo svojej hmotnostnej a veľkostnej triede, aké sa kedy dostali do sériovej výroby. Každý motor ponúka trvalý výkon 1,5 KW - to sú 2 HP!
Motory používajú bezkartáčovú servo technológiu, čo znamená, že neexistujú žiadne kontakty, ktoré by sa mohli opotrebovať a znížiť výkon. Magnety sú vyrobené z veľmi silného kovu vzácnych zemín: neodýmu, železa, bóru. Každý motor je vybavený dvoma nezávislými vinutiami, z ktorých každé je ovládané vlastnou riadiacou doskou. Za normálnych prevádzkových podmienok pracujú obe vinutia paralelne a zdieľajú záťaž. V prípade poruchy je motor schopný okamžite deaktivovať chybnú stranu a pomocou zostávajúcich vinutí udržiavať kontrolu nad SEGWAY HT, kým sa nezastaví. Motor bol starostlivo vyladený na výkon až 8 000 otáčok za minútu, čo umožňuje veľmi vysoké úrovne výkonu v malom zväzku. Redundantné bezkontaktné analógové snímače poskytujú spätnú väzbu z motora do prístroja SEGWAY HT meraním polohy magnetov. Os motora je jedinou pohyblivou časťou.
prenos
Pneumatiky a kolesá
Michelin bol jedným z prvých partnerov pri vývoji modelu SEGWAY HT. Pneumatiky SEGWAY HT boli vyvinuté špeciálne pre tento produkt a používajú jedinečnú zmes pneumatík (namiesto tradične používaných materiálov na báze uhlíka je to zmes oxidu kremičitého). To ponúka zvýšené držanie a minimalizuje tvorbu značiek, najmä na vnútorných povrchoch. Pneumatiky sú bezdušové a vyžadujú iba nízky vnútorný tlak v pneumatikách. Tento špeciálny vývoj zvyšuje jazdný komfort a minimalizuje trecí odpor.
Pneumatika je pripevnená na rovnako jedinečnom kolese: koleso je vyrobené z pokrokového technického termoplastu vybraného v spolupráci so spoločnosťou GE Plastics. Kompozitný materiál umožňuje nízku hmotnosť, vynikajúcu životnosť a znižuje hlučnosť systému pohonu. Koleso je odliate okolo kovaného oceľového rámu bez použitia spojovacích prostriedkov, ktoré by sa časom mohli uvoľniť. Zavesenie medzi týmto rámom a prevodovým pomerom je zaistené patentovaným šesťuholníkovým kužeľovým systémom. Týmto spôsobom je možné koleso namontovať alebo demontovať pomocou jednej matice, avšak stále má zabezpečenie systému viacerých skrutiek, ktorý sa bežne používa v bežných aplikáciách.
Batérie
SEGWAY HT používa dve 72 voltové NiMH batérie vyvinuté v spolupráci so spoločnosťou SAFT (subdodávateľom spoločnosti Alcatel). Tieto hybridné články nikel-kov poskytujú najvyššiu možnú energetickú hospodárnosť podľa dnes dostupnej chémie. Boli optimalizované, aby udržali SEGWAY HT vyvážený aj v tých najextrémnejších podmienkach. Nejde o obyčajné batérie do mobilných telefónov!
Každá batéria sa skladá zo siete vysoko výkonných článkov a špeciálne vyvinutej riadiacej dosky, ktorá permanentne sleduje teplotu a napätie batérie v rôznych bodoch. Tento komponent je súčasťou inej jednorazovej aplikácie od GE Thermoplastics. Skrinka na batérie je utesnená pomocou metódy vibračného zvárania, ktorá z vonkajšej strany kompozitu vytvára jedinú súvislú štruktúru. Tesnenie chráni pred vlhkosťou a je také silné, že bez problémov zvládlo všetky extrémne skúšky, na ktoré naši technici mysleli.
Elektronika integrovaná v batérii umožňuje „inteligentné“ nabíjanie. Majiteľ musí pripojiť iba SEGWAY HT do zásuvky a batéria automaticky zvolí príslušnú rýchlosť nabíjania na základe teploty, napätia a úrovne nabitia. Batérie sa rýchlo nabíjajú a potom sa dostanú do režimu vyváženia a údržby. Majiteľ SEGWAY HT sa nemusí starať o načasovanie - stačí ho zapojiť a zvyšok sa deje automaticky.
Za normálnych prevádzkových podmienok SEGWAY HT starostlivo sleduje obidve batérie a vybije ich rovnomerne. V nepravdepodobnom prípade poruchy batérie môže systém bežať aj na jednu batériu a bude udržiavať rovnováhu, kým sa úplne nezastaví.
Aké to je
Jazda na Segwaye PT sa nedá porovnať s nijakou inou skúsenosťou, pretože nič podobné sa nikdy predtým neurobilo. Šliapnite a vaše inštinkty vám povedia, ako udržať rovnováhu, rovnako ako akýkoľvek iný bežný dopravný prostriedok na dvoch kolesách. Takmer okamžite si všimnete, že Segway pre vás vyvažuje, akoby išlo o rozšírenie vášho tela. Predkloňte sa trochu dopredu a uvidíte, že Segway PT vás neprepravuje sám, ale reaguje na vás a vaše pokyny.
Pamätáte si na sny, kde ste mali pocit, že letíte? Cítite slobodu, vyrovnanosť a dôveru. Máte pocit, že sa zem pod vami pohybuje, ale nedotýkate sa jej. Skĺznu po ňom. Cítite silu a rýchlosť, cítite bezpečie a úplnú kontrolu. Všetko pôsobí prirodzene, bezpečne a inštinktívne. Je to pocit z riadenia vozidla Segway PT.
Tu hovoria ľudia, ktorí jazdili na Segwaye PT, o jeho intuitívnych a kĺzavých vlastnostiach:
"Podľa môjho názoru je jazda na Segway HT veľmi zábavná. Je bezpečná, stabilná a pôsobivo využíva digitálne technológie. Je ľahké sa naučiť jazdiť a v mnohých ohľadoch jednoducho fantasticky."
Walt Mossberg, Wall Street Journal
„Vedenie vozidla Segway je také intuitívne, že má pocit, že je nejako spojené s centrálnym nervovým systémom.“
Fortune Magazine
„Segway je neuveriteľne stabilný bez ohľadu na to, či stojí alebo jazdí.“
Dan Bricklin, spoluautor vynálezu VisiCalcu, prvej elektronickej tabuľky