Wie und warum funktioniert eigentlich ein Segway?
Als Dean Kamen den SEGWAY Personal Transporter (PT) in ABCs Sendung “Good Morning America” vorstellte, beschrieb er das Gerät als “das weltweit erste selbstbalancierende Fortbewegungsmittel für Menschen”. Betrachtet man das Gerät in Bewegung, versteht man, was er meint. Anders als ein Auto, hat der SEGWAY nur zwei Räder. Das Besondere daran: er ist in der Lage, selbständig aufrecht zu stehen.
Um sich auf dem SEGWAY vorwärts oder rückwärts zu bewegen, lehnt sich der Fahrer leicht nach vorne oder nach hinten. Um nach links oder rechts zu lenken, dreht der Fahrer einfach den Steuergriff nach links oder rechts.
Wie dynamische Stabilisierung funktioniert
Die Fähigkeit, selbstständig das Gleichgewicht zu halten, ist die faszinierendste Eigenschaft am SEGWAY und der Schlüssel zu seiner Bedienung. Um zu verstehen, wie dieses System funktioniert, ist es hilfreich, Kamens Modell 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 der Körper 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 SEGWAY PT macht ziemlich genau dasselbe, mit dem Unterschied, dass er statt Füße 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 SEGWAY, wann man sich nach vorne lehnt. Um das Gleichgewicht zu erhalten, bewegt er die Räder genau in der richtigen Geschwindigkeit und fährt vorwärts. SEGWAY nennt dieses Verhalten “Dynamische Stabilisierung” und hat den einzigartigen Prozess patentiert, der dem SEGWAY PT erlaubt, mit nur zwei Rädern das Gleichgewicht zu halten.
Die Sensoren
Im Grunde genommen ist der SEGWAY 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.
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 SEGWAY 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 SEGWAY PT um bestimmte Achsen dreht.
Der 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 SEGWAY enthält eine Vielzahl an Mikroprozessoren, die zusammengenommen 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 demgemäß die Geschwindigkeit einiger Elektromotoren an. Die Elektromotoren, die von zwei wiederaufladbaren Nickel-Metall-Hybrid (NiMH) -Akkus 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 die LeanSteer Lenkstange 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. Während der Fahrt lenkt der Segway PT exakt den richtigen Kurvenradius, der notwendig ist, um unter Berücksichtigung der Fliehkräfte das Gleichgewicht zu halten.
Die Komponenten und wie sie zusammen arbeiten
Der SEGWAY® Human Transporter (HT) beinhaltet dutzende Einzelteile, die mit größter Sorgfalt dazu konstruiert, hergestellt und getestet wurden, um in synchroner Einheit zusammenzuarbeiten. Die unten beschriebenen SEGWAY HT Komponenten inkludieren die Steuerschaltkreise, Gleichgewichtssensoren, Motoren, Getriebe, Bereifung, Räder und Batterien.
Die Steuereinheit
Zwei ausgeklügelte Steuerplatinen von Delphi Electronics stellen sowohl Gehirn als auch Muskeln für das System zur Verfügung. Delphi Electronics wurde aufgrund ihrer Erfahrung in der Massenherstellung von hochqualitativer Automobil-Elektronik für so anspruchsvolle Anwendungen wie Airbags als Partner ausgewählt.
Jede Steuerplatine ist mit einem Texas Instruments Signalprozessor ausgestattet, der das gesamte SEGWAY HT System überwacht und 100 Mal pro Sekunde auf Fehler oder sonstige Zustände prüft, die einer sofortigen Reaktion bedürfen. Er liest die Informationen der Gleichgewichtssensoren (BSA), um festzustellen, ob sich der Fahrer vorwärts oder rückwärts lehnt. Diese Informationen führen ohne Zeitverzögerung dazu, dass Energie von den Batterien durch ein Set von 12 “Hochenergie-Hochstrom-Feldeffekt-Transistoren” (FETs) zu den Motoren geleitet wird. Diese Berechnungen finden hundertmal pro Sekunde statt und die Motoren werden bis zu tausend Mal pro Sekunde angepasst – eine Reaktionszeit, welche die menschliche Wahrnehmungszeit bei weitem übertrifft. Obwohl jede Steuerplatine den SEGWAY HT nach einem Versagen der anderen Platine vollständig steuern kann (jede Platine ist mit den elektrischen Schaltkreisen beider Motoren verbunden), wird die Rechenleistung unter normalen Betriebsbedingungen aufgeteilt.
Gleichgewichtssensoren im Verband
Der Verbund von Gleichgewichtssensoren (BSA), hergestellt von Silicon Sensing Systems, ist ein elegant konstruiertes, extrem widerstandsfähiges aber überaus empfindliches Gerät.
Dieser kleine Würfel mit etwa 7,6 cm Seitenlänge, enthält fünf fixe Ringvibrations- Winkelmesser-Sensoren (Gyroskope), die den Coriolis Effekt benutzen, um Drehungsgeschwindigkeiten zu messen. Diese winzigen Ringe werden elektromechanisch zum Vibrieren gebracht. Wenn sie gedreht werden, wird eine kleine Kraft erzeugt, die durch die interne Sensorelektronik gemessen werden kann.
Jedes Gyroskop ist in einem eigenen Winkel angebracht, was die Messung verschiedener Bewegungsrichtungen ermöglicht. Die Bordcomputer des SEGWAY vergleichen laufend die Informationen aller fünf Gyroskope, um zu entscheiden, ob einer der fünf Sensoren fehlerhafte Daten liefert. Sollte dies der Fall sein, wird mit den Daten der verbliebenen Sensoren weitergearbeitet bis eine kontrollierte Sicherheitsabschaltung stattfindet.
Zwei Neigungssensoren, die mit einer Elektrolyt-Flüssigkeit gefüllt sind, stellen Informationen über die Gravitation zur Verfügung – in der gleichen Art und Weise wie unser Innenohr mit unserem Gleichgewichtssinn zusammenarbeitet. Der BSA wird von zwei unabhängigen Mikroprozessoren überwacht und ist aus Gründen der Redundanz in zwei unabhängige Hälften aufgeteilt. Sogar die Kommunikation zwischen den Hälften ist optisch ausgeführt, um zu verhindern, dass sich elektrische Fehler einer Seite auf die andere übertragen.
Motoren
Die Motoren des SEGWAY HT sind auf viele Arten einzigartig. Hergestellt von Pacific Scientific, ein Geschäftsbereich von Danaher, sind sie die stärksten Motoren ihrer Gewichts- und Größenklasse die jemals in Massenproduktion gingen. Jeder Motor bietet eine Dauerleistung von 1.5 KW – das sind 2 PS!
Die Motoren benutzen bürstenlose Servo-Technologie, was bedeutet, dass es keine Kontakte gibt, die verschleißen könnten und so die Leistung verringern. Die Magneten bestehen aus einem sehr kraftvollen seltenen Erdmetall: Neodym-Eisen-Bor. Jeder Motor ist mit zwei unabhängigen Wicklungen ausgestattet, wovon jede von einer eigenen Steuerplatine gesteuert wird. Unter normalen Betriebsbedingungen arbeiten beide Wicklungen parallel und teilen sich die Last. Im Falle eines Versagens, ist der Motor in der Lage, die fehlerhafte Seite sofort zu deaktivieren und die verbleibenden Wicklungen dazu zu benutzen, die Kontrolle über den SEGWAY HT zu behalten, bis er zum Anhalten gebracht wurde. Der Motor wurde sorgfältig auf eine Leistung von bis zu 8.000 Umdrehungen pro Minute abgestimmt, was sehr hohe Leistungspegel in einer kleinen Bündelung ermöglicht. Redundante, kontaktlose, analoge Sensoren geben Rückmeldungen vom Motor an den SEGWAY HT, indem sie die Position der Magneten messen. Dabei ist die Motorachse das einzige bewegliche Teil.
Getriebe
Das Getriebe des SEGWAY HT, eine gemeinsame Entwicklung von Axicon Technologies und SEGWAY, ist mehr mit einer Schweizer Präzisionsuhr vergleichbar, als mit einem traditionellen Automobil-Getriebe. Ein zwei-Stufen Untersetzungs-System bietet eine 24:1 Untersetzung, die einen Motorbetrieb bei kraftvollen, effizienten Geschwindigkeiten über den vollen Umfang von Geschwindigkeiten des SEGWAY HT ermöglicht. Jede Getriebestufe ist zu einem spiralförmigen Profil geschnitten, was für eine spiralförmige Verbindung sorgt, die Lärm minimiert und die Belastungsgrenzen des Getriebes erhöht. Die Anzahl von Zähnen auf jeder Getriebestufe ist so gewählt, dass nicht ganzzahlige Getriebeübersetzungen erzielt werden. Das bedeutet, die Zähne greifen bei jeder Umdrehung an einem anderen Platz, wodurch die Lebensdauer des Getriebes erhöht wird.
Unsere Ingenieure waren so detailverliebt, dass sie die Getriebeverzahnung so entwickelt haben, dass die entstehenden Geräusche exakt zwei musikalische Oktaven voneinander entfernt liegen. Wenn sich der SEGWAY HT bewegt, macht er Musik, keinen Lärm.
Das Getriebe ist vormontiert und geschmiert und benötigt während der gesamten Lebensdauer des SEGWAY HT keinerlei Wartung. Es wurde unter harten Betriebsbedingungen über viele tausend Kilometer getestet.
Bereifung und Räder
Michelin war einer der ersten Partner in der Entwicklung des SEGWAY HT. Die Reifen des SEGWAY HT wurden speziell für dieses Produkt entwickelt, wobei eine einzigartige Reifenmischung zum Einsatz kam (eine Siliziumdioxid-Mischung statt der traditionell verwendeten kohlenstoffbasierenden Materialien). Diese bietet erhöhten Halt und minimiert Spurenbildung speziell auf Untergründen in Innenräumen. Die Reifen sind schlauchlos ausgeführt und benötigen nur einen niedrigen Reifen-Innendruck. Durch diese Spezialentwicklung wird der Fahrkomfort erhöht und der Reibungswiderstand minimiert.
Der Reifen wird auf einem gleichermaßen einzigartigen Rad montiert: das Rad besteht aus einem hochentwickelten Maschinenbau-Thermoplast, das in Zusammenarbeit mit GE Plastics ausgewählt wurde. Das Kompositmaterial ermöglicht geringes Gewicht, exzellente Haltbarkeit und reduziert Geräusche aus dem Antriebssystem. Das Rad ist um einen geschmiedeten Stahlrahmen gegossen, ohne dass Verbindungselemente, die mit der Zeit locker werden könnten, benutzt wurden. Die Aufhängung zwischen diesem Rahmen und der Getriebeübersetzung erfolgt durch ein patentiertes Sechskant-Kegel System. Das Rad kann dadurch mit einer einzigen Schraubenmutter montiert oder entfernt werden, hat aber dennoch die Sicherheit eines Mehrfach-Bolzen Systems, das üblicherweise bei herkömmlichen Anwendungen benutzt wird.
Batterien
Jede Batterie besteht aus einem Verbund von Hochleistungs-Zellen und einer speziell entwickelten Steuerplatine, welche Temperatur und Spannung der Batterie an verschiedenen Stellen permanent überwacht. Dieses Bauteil ist in einer anderen einmaligen Anwendung von GE Thermoplastics eingeschlossen. Die Batteriebox wird durch eine Vibrations-Schweissmethode versiegelt, die aus der Außenseite des Verbunds eine einzige, durchgängige Struktur formt. Die Versiegelung schützt vor Feuchtigkeit und hält so stark, dass sie sämtliche Extremtests, die unseren Technikern in den Sinn kamen, problemlos widerstanden hat.
Die in die Batterie integrierte Elektronik ermöglicht “intelligentes” Aufladen. Der Besitzer muss den SEGWAY HT nur an eine Steckdose anschließen und die Batterie wählt selbstständig die passende Ladegeschwindigkeit, basierend auf Temperatur, Spannung und Ladestand. Die Batterien werden schnell geladen und wechseln dann in einen Ausgleichs- und Wartungsmodus. Der SEGWAY HT Besitzer muss sich keine Gedanken über das Timing machen – einfach einstecken und der Rest geschieht automatisch.
Unter normalen Betriebsbedingungen überwacht der SEGWAY HT sorgfältig beide Batterien und entlädt die Batterien gleichmäßig. Für den unwahrscheinlichen Fall eines Batterieversagens, kann das System auch mit einer einzigen Batterie betrieben werden und erhält das Gleichgewicht bis es zu einem sicheren Halt gebracht wird.