Fondamentalmente, un Segway combina sensori sofisticati, un sistema di controllo in tempo reale e motori ad alta precisione. Questo articolo analizza ogni componente.
Il cuore del sistema è un trio di sensori giroscopici. Un giroscopio tradizionale utilizza una ruota che gira in un telaio rigido; la ruota resiste alla coppia esterna, consentendo al veicolo di rilevare l'inclinazione e la velocità angolare. In pratica, una ruota che gira mantiene stabile il proprio asse e qualsiasi forza applicata viene distribuita attorno alla circonferenza della ruota, annullando di fatto i disturbi esterni. (Per approfondimenti, consulta Come funzionano i giroscopi .)
Poiché la ruota che gira è fissa rispetto al telaio del veicolo, il sistema può misurare il beccheggio (inclinazione in avanti o all'indietro) e il rollio (inclinazione a sinistra o a destra) del Segway. Questi dati precisi sono essenziali per mantenere l'equilibrio.
I giroscopi meccanici tradizionali sarebbero ingombranti e richiederebbero molta manutenzione per un veicolo portatile. I Segway utilizzano invece un giroscopio in silicio a stato solido che sfrutta l’effetto Coriolis su scala microscopica. L'effetto Coriolis descrive come un oggetto in movimento sembra deviare se osservato da un sistema di riferimento rotante, in modo simile a come un aereo sembra girare perché la Terra ruota sotto di esso.
Un tipico giroscopio in silicio è costituito da una piastra microfabbricata montata su un supporto. Una corrente elettrostatica spinge le particelle sulla piastra, inducendo uno schema di vibrazione prevedibile. Quando il dispositivo ruota attorno al proprio asse, le particelle si spostano rispetto alla piastra, alterando l'ampiezza della vibrazione in proporzione alla velocità di rotazione. Il sensore cattura questo cambiamento e inoltra i dati al computer di bordo, consentendo il rilevamento in tempo reale del movimento angolare. Per ulteriori dettagli tecnici, esplora i giroscopi in silicio a stato solido .
Il Segway HT integra cinque sensori giroscopici:tre sono sufficienti per il rilevamento del beccheggio in avanti/indietro e del rollio sinistro/destro, mentre le unità aggiuntive forniscono ridondanza per migliorare l'affidabilità. A complemento dei giroscopi ci sono due sensori di inclinazione riempiti di elettroliti che imitano il sistema vestibolare dell'orecchio interno, determinando l'orientamento rispetto alla gravità in base all'inclinazione della superficie del fluido.
Tutte le uscite dei sensori vengono inserite nell'architettura di controllo a doppia scheda del veicolo. Due schede elettroniche, ciascuna ospitante un cluster di microprocessori, gestiscono il sistema. Il Segway ospita dieci microprocessori in totale, offrendo circa tre volte la potenza di calcolo di un PC desktop standard. La configurazione a doppia scheda offre tolleranza ai guasti:se una scheda si guasta, l'altra prende il sopravvento, avvisa il ciclista e avvia uno spegnimento sicuro.
Tale peso computazionale è richiesto per la logica di stabilità del Segway. I controller campionano i dati dei sensori a ~100 Hz, eseguendo sofisticati algoritmi che regolano la velocità del motore per contrastare qualsiasi deviazione dalla verticale. I motori elettrici, alimentati da batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) o agli ioni di litio (Li-Ion), possono far girare ciascuna ruota in modo indipendente a velocità variabili.
Quando il veicolo si inclina in avanti, entrambi i motori accelerano in avanti per controbilanciare l'inclinazione. Al contrario, un’inclinazione all’indietro innesca il movimento inverso. Lo sterzo è ottenuto tramite velocità differenziali delle ruote o ruote controrotanti, consentendo al Segway di ruotare a sinistra o a destra.
Anche se il Segway potrebbe non rivaleggiare con l'impatto trasformativo di Internet, la sua ingegneria rappresenta una straordinaria convergenza di fisica, elettronica e software, un esempio di come competenze multidisciplinari possano produrre una soluzione di trasporto altamente affidabile e autobilanciata.
