Na co dzień

Technologia Segway Smart Motion ™
- nauka w służbie techniki


Gdy Dean Kamen prezentował Segway'a PT w telewizji ABC w programie “Good Morning America”, opisał go jako “pierwszy w historii samobalansujący się środek osobistego transportu”. Kiedy zobaczycie Segway'a w ruchu, sami zrozumiecie, co konstruktor miał na myśli. W odróżnieniu od znanych dotąd pojazdów mechanicznych - Segway PT ma tylko dwa koła ustawione w jednej osi. Wygląda jak zwykły ręczny wózek, potrafi jednak sam utrzymywać równowagę, nie przewracając się. Aby ruszyć nim w przód lub w tył, kierujący musi tylko lekko pochylić się w wybranym kierunku. Aby skręcić, wystarczy poruszyć drążkiem kierowniczym w lewo lub prawo.

Jak działa dynamiczna stabilizacja?

Zdolność do samodzielnego utrzymania równowagi jest najbardziej zadziwiającą cechą Segway'a PT, umożliwiającą mu poruszanie się. Aby łatwiej zrozumieć, jak działa cały układ, najlepiej posłużyć się przykładem ludzkiego ciała. Ten sposób myślenia przyjął bowiem jego konstruktor Dean Kamen podczas swoich prac.

Jeśli stojąc, pochylisz się do przodu na tyle mocno, że zaczniesz tracić równowagę - prawdopodobnie nie przewrócisz się na twarz. Twój mózg wie, że tracisz równowagę, ponieważ płyn wewnątrz twojego ucha środkowego porusza się, pobudzając receptory i wywołując odpowiednią reakcję – wysunięcie nogi do przodu i powstrzymanie upadku. Jeśli będziesz się nadal pochylać, twój mózg będzie nadal poruszał nogami do przodu. Zamiast upaść, po prostu będziesz iść przed siebie krok za krokiem.

Zasada działania Segwaya PT jest bardzo podobna. Jednak zamiast nóg Segway PT ma koła, a zamiast mięśni – silniki. Jego mózgiem jest zespół mikroprocesorów, a rolę zmysłu równowagi spełniają skomplikowane czujniki przechyłu. Tak jak twój mózg, Segway PT wie, kiedy pochylasz się do przodu. Aby zachować równowagę, porusza wtedy kołami w odpowiedni sposób. Rozwiązanie to nazywa się dynamiczną stabilizacją (ang. dynamic stabilization), a cały system pozwalający na kontrolowanie i utrzymywanie równowagi na dwóch kołach został przez firmę Segway Inc. opatentowany.

Najważniejsze komponenty pojazdu

W największym uproszczeniu Segway PT składa się z zestawu czujników, systemu kontrolującego i sytemu napędowego. Przyjrzyjmy się bliżej poszczególnym elementom. Główny system czujników składa się z zespołu żyroskopów. Prosty żyroskop zbudowany jest z wirującego krążka umieszczonego wewnątrz nieruchomej ramy. Wirujący obiekt nie zmienia pierwotnego położenia swojej osi obrotu, ponieważ przyłożona do niego siła porusza się wraz z obiektem. Jeśli, dla przykładu, naciśniesz punkt znajdujący się na górze wirującego koła, ten punkt będzie poruszał się po obwodzie, ciągle podlegając działaniu przyłożonej siły. Poruszając się dotrze do miejsca położonego po przeciwnej stronie koła, równoważąc działanie siły działającej w punkcie startu. Dzięki tej właściwości, dysk żyroskopu utrzymuje stałą pozycję w przestrzeni względem ziemi, nawet jeśli cały żyroskop zostanie przechylony. Za to rama żyroskopu będzie poruszać się swobodnie. Mierząc zmiany pozycji wirującego dysku względem ramy, precyzyjny czujnik może określić wychylenie obiektu względem pozycji pionowej oraz prędkości, z jaką się przechyla.

Tradycyjny żyroskop byłby niewygodny i trudny do zastosowania w takim pojeździe jak Segway PT. Zastosowano więc inny rodzaj urządzeń - cyfrowe czujniki prędkości kątowej. Ten rodzaj żyroskopu zamiast obracającego się dysku, korzysta z działania tzw. efektu Coriolisa w bardzo małej skali. W uproszczeniu efekt Coriolisa to zbaczanie obiektu z toru po którym się porusza, wynikające z ruchu innego poruszającego się względem niego obiektu. Na przykład, samolot lecący po linii prostej wydaje się skręcać, ponieważ ziemia pod nim się porusza.

Elektroniczny żyroskop zbudowany jest z cienkiej krzemowej płytki zamocowanej na stałej ramce. Cząsteczki krzemu poruszają się dzięki prądom elektrostatycznym przepływającym przez płytkę. Cząsteczki poruszają się w określony sposób, wywołujący przewidywalne wibracje płytki. W chwili gdy płytka obraca się wokół swojej osi (a tak się dzieje, gdy Segway PT przechyli się w którąś stronę) cząsteczki nagle przestawiają się, wywołując zmiany w wibracjach płytki. Są one proporcjonalne do stopnia przechylenia płytki. System żyroskopów mierzy te zmiany i przesyła dane o nich do komputera sterującego, który dzięki temu może ustalić położenie Segwaya PT względem różnych osi obrotu.

Segway PT posiada pięć żyroskopów, choć do ustalenia przechyłów zarówno w tył i w przód, jak i na boki wystarczyłyby trzy. Dodatkowe czujniki stanowią zabezpieczenie na wypadek awarii i czynią pojazd bezpieczniejszym. Wszystkie informacje na temat przechyłów przekazywane są do mózgu pojazdu. Są nim dwa elektroniczne układy sterujące, każdy składający się z zespołu mikroprocesorów. Łączna moc obliczeniowa wszystkich układów Segwaya PT przewyższa trzykrotnie moc zwykłego domowego komputera. Segway PT potrzebuje tak silnych komputerów, aby pewnie i precyzyjnie dokonywać obliczeń niezbędnych do utrzymania równowagi. Jeśli któryś z układów sterujących ulegnie uszkodzeniu, drugi przejmuje jego funkcję, co umożliwia ostrzeżenie użytkownika o awarii i bezpieczne zatrzymanie pojazdu.

System komputerowy pracuje z zaawansowanym oprogramowaniem sterującym. Monitoruje ono wszelkie informacje dotyczące położenia i stabilności, których dostarczają żyroskopy i kieruje działaniem silników elektrycznych. Silniki elektryczne, zasilane przez parę akumulatorów litowo-jonowych (Lilon) mogą poruszać każdym kołem niezależnie i z różnymi prędkościami.

Gdy pojazd pochyla się do przodu, silniki poruszają obydwoma kołami do przodu, aby uniknąć upadku. Przy przechyle w tył silniki poruszają kołami wstecz. Jeśli kierujący poruszy drążkiem kierownicy w lewo lub w prawo, silniki przyśpieszają jedno z kół lub poruszają każdym kołem w innym kierunku, tak że pojazd obraca się w miejscu.