Wie es funktioniert
Die wissenschaftliche Basis hinter der Technologie.
Die Fähigkeit, selbständig das Gleichgewicht zu halten, ist die faszinierendste Eigenschaft am 2wheeler (Segway) und ist der Schlüssel zu seiner Bedienung. Um zu verstehen, wie dieses System funktioniert, ist es hilfreich, das Modell des Erfinders für das Gerät zu betrachten – den menschlichen Körper.
Wenn man aufsteht und sich so weit nach vorne lehnt, dass man das Gleichgewicht verliert, fällt man in der Regel trotzdem nicht auf die Nase. Das Gehirn weiß, dass man nicht im Gleichgewicht ist, weil sich die Flüssigkeit im Innenohr bewegt hat, also veranlasst es einen, seinen Fuß vorwärts zu bewegen, um einen Sturz zu vermeiden. So lange man sich nach vorne lehnt, wird das Gehirn Fußbewegungen nach vorne auslösen, um einen aufrecht zu halten. Statt zu fallen, geht man vorwärts, einen Schritt nach dem anderen.
Der 2wheeler (Segway) macht ziemlich genau dasselbe, mit dem Unterschied, dass er statt Füßen Räder hat, statt Muskeln einen Motor, eine Ansammlung von Mikroprozessoren statt einem Gehirn und eine Gruppe von ausgeklügelten Gleichgewichtssensoren anstelle des Gleichgewichtssinnes im Innenohr. Wie unser Gehirn weiß der 2wheeler, wann man sich nach vorne lehnt. Um das Gleichgewicht zu erhalten, bewegt er die Räder genau in der richtigen Geschwindigkeit und man bewegt sich vorwärts. Der Hersteller nennt dieses Verhalten “Dynamische Stabilisierung” und hat den einzigartigen Prozess patentiert, der dem 2wheeler erlaubt, mit nur zwei Rädern das Gleichgewicht zu halten.
Das Gehirn und die Muskeln
Im Grunde genommen ist der 2wheeler eine Kombination aus Sensoren, einem Kontrollsystem und einem Motorsystem. In dieser Sektion betrachten wir jedes dieser Elemente.
Das primäre Sensorsystem ist eine Gruppe von Gyroskopen. Ein Gyroskop ist ein sich innerhalb eines stabilen Rahmens drehendes Rad. Ein sich drehendes Objekt widersetzt sich Änderungen seiner Rotationsachse, weil sich gegeneinander wirkende Kräfte mit dem Objekt weiterbewegen.
Wenn man beispielsweise auf einen Punkt an der Spitze eines sich drehenden Rades drückt, bewegt sich dieser Punkt zur Vorderseite des Rades weiter, während die darauf angewendete Kraft immer noch vorhanden ist. Während sich der Punkt der Krafteinwirkung weiterbewegt, wird diese Kraft auch an der gegenüberliegenden Seite des Rades angewandt – die Kraft balanciert sich selbst aus.
Wegen seines Widerstandes gegenüber äußerer Krafteinwirkung, behält ein Gyroskop seine Position im Raum bei (relativ zum Boden), auch wenn man es in eine Schieflage bringt. Dabei bewegt sich der Rahmen des Gyroskops aber frei im Raum. Wenn man die Position des sich drehenden Rades des Gyroskops im Verhältnis zur Position des Rahmens misst, kann ein präziser Sensor sowohl den Neigungswinkel eines Objektes (wieviel es gegenüber einer geraden Position geneigt ist) als auch die Neigungsgeschwindigkeit angeben.
Ein konventionelles Gyroskop wäre in dieser Art Fahrzeug sperrig und schwierig zu warten, also erzielt der 2wheeler denselben Effekt mit einem anderen Mechanismus. 2wheeler benutzen einen speziellen Sensor der in einem fixen Winkel montiert wird und mit Einsatz von Silikon konstruiert wurde. Diese Art von Gyroskop bestimmt die Rotation eines Objektes durch die Anwendung des Coriolis Effekts auf einem sehr kleinen Maßstab.
Einfach erklärt, handelt es sich beim Coriolis Effekt um die sichtbare Ablenkung eines bewegten Objektes im Verhältnis zu einem anderen Objekt. Zum Beispiel scheint sich ein Flugzeug zu drehen, obwohl es sich in gerader Linie fortbewegt, weil die Erde darunter rotiert.
Ein typisches fixes Silikon-Gyroskop besteht aus einer kleinen Silikonscheibe, die in einem Halterungsrahmen angebracht ist. Die Silikonteilchen werden durch einen elektrostatischen Stromfluss bewegt, der durch die Scheibe fließt. Die Teilchen bewegen sich in einer bestimmten Art und Weise, wodurch die Scheibe in einer berechenbaren Frequenz zum Vibrieren gebracht wird. Wenn die Scheibe um ihre eigene Achse bewegt wird (das geschieht, wenn sich der 2wheeler in dieser Ebene dreht) verschieben sich die Teilchen relativ zu ihr. Das verändert die Vibration und der Unterschied ist proportional zum Grad der Drehung. Das Gyroskopsystem misst den Unterschied in der Vibration und leitet diese Informationen weiter zum Computer. Auf diese Weise kann der Computer berechnen, wann sich der 2wheeler um bestimmte Achsen dreht.
Der 2wheeler (Segway) hat fünf Gyroskopsensoren, obwohl eigentlich nur drei benötigt werden, um die Vorwärts- und Rückwärtsneigung beziehungsweise die Neigung nach links oder rechts festzustellen. Die zusätzlichen Sensoren dienen der Redundanz, um das Fahrzeug zuverlässiger zu machen. Alle Informationen über den Neigungswinkel werden an das Gehirn des Fahrzeugs weitergeleitet. Das Gehirn besteht aus zwei elektronischen Schaltplatinen die jeweils mit einer Gruppe von Mikroprozessoren ausgestattet sind. Der 2wheeler enthält eine Vielzahl an Mikroprozessoren, die zusammengenommen in etwa der dreifachen Rechenleistung eines typischen PCs entsprechen. Das Fahrzeug benötigt diese Rechenleistung, weil es sehr exakte Korrekturen durchführen muss um das Gleichgewicht zu halten. Wenn eine Schaltplatine ausfällt, kann die andere alle Funktionen übernehmen. Das System kann den Fahrer über den Fehler informieren und kontrolliert deaktiviert werden.
Die Mikroprozessoren werden von einer fortschrittlichen Software benutzt, die das Fahrzeug steuert. Dieses Programm überwacht alle Informationen die von den Gyroskopsensoren eintreffen und passt dem gemäß die Geschwindigkeit einiger Elektromotoren an. Die Elektromotoren, die von zwei wiederaufladbaren Nickel-Metall-Hybrid (NiMH) versorgt werden, können jedes Rad unabhängig in verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen.
Wenn das Fahrzeug nach vorne geneigt wird, bewegen die Motoren beide Räder vorwärts, um ein Umkippen zu verhindern. Wenn das Fahrzeug nach hinten geneigt wird, bewegen die Motoren beide Räder nach hinten. Wenn der Fahrer den Steuergriff betätigt, um nach links oder rechts zu wenden, bewegen die Motoren ein Rad schneller als das andere, oder bewegen die Räder in entgegengesetzte Richtungen, damit das Fahrzeug sich dreht.
