À la base, un Segway combine des capteurs sophistiqués, un système de contrôle en temps réel et des moteurs de haute précision. Cet article décortique chaque composant.
Le cœur du système est un trio de capteurs gyroscopiques. Un gyroscope traditionnel utilise un rouet dans un cadre rigide; la roue résiste au couple externe, permettant au véhicule de détecter l'inclinaison et la vitesse angulaire. En pratique, un rouet maintient son axe stable et toute force appliquée est répartie sur la circonférence de la roue, annulant ainsi les perturbations externes. (Pour en savoir plus, consultez Comment fonctionnent les gyroscopes .)
Étant donné que la roue qui tourne est fixe par rapport au châssis du véhicule, le système peut mesurer le tangage (inclinaison vers l'avant ou vers l'arrière) et le roulis (inclinaison vers la gauche ou la droite) du Segway. Ces données précises sont essentielles au maintien de l'équilibre.
Les gyroscopes mécaniques traditionnels seraient encombrants et exigeants en entretien pour un véhicule portable. Au lieu de cela, les Segways utilisent un gyroscope en silicium à semi-conducteurs qui exploite l'effet Coriolis à une échelle microscopique. L'effet Coriolis décrit la manière dont un objet en mouvement semble dévier lorsqu'il est observé à partir d'un cadre de référence en rotation, de la même manière qu'un avion semble tourner parce que la Terre tourne en dessous de lui.
Un gyroscope en silicium typique est constitué d'une plaque microfabriquée montée sur un support. Un courant électrostatique entraîne les particules sur la plaque, induisant un modèle de vibration prévisible. Lorsque l'appareil tourne autour de son axe, les particules se déplacent par rapport à la plaque, modifiant l'amplitude des vibrations proportionnellement à la vitesse de rotation. Le capteur capture ce changement et transmet les données à l'ordinateur de bord, permettant une détection en temps réel du mouvement angulaire. Pour plus de détails techniques, découvrez les gyroscopes en silicium à semi-conducteurs . .
Le Segway HT intègre cinq capteurs gyroscopiques :trois suffisent pour la détection du tangage avant/arrière et du roulis gauche/droite, tandis que les unités supplémentaires offrent une redondance pour améliorer la fiabilité. Les gyroscopes sont complétés par deux capteurs d'inclinaison remplis d'électrolyte qui imitent le système vestibulaire de l'oreille interne, déterminant l'orientation par rapport à la gravité en fonction de l'inclinaison de la surface du fluide.
Toutes les sorties des capteurs alimentent l’architecture de commande à double carte du véhicule. Deux circuits imprimés, chacun hébergeant un cluster de microprocesseurs, gèrent le système. Le Segway abrite dix microprocesseurs au total, offrant environ trois fois la puissance de calcul d'un ordinateur de bureau standard. La configuration à deux cartes offre une tolérance aux pannes :si une carte tombe en panne, l'autre prend le relais, alerte le pilote et déclenche un arrêt en toute sécurité.
Une telle puissance de calcul est requise pour la logique de stabilité du Segway. Les contrôleurs échantillonnent les données des capteurs à ~100 Hz, exécutant des algorithmes sophistiqués qui ajustent la vitesse du moteur pour contrecarrer tout écart par rapport à la verticale. Les moteurs électriques, alimentés par des batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) ou lithium-ion (Li-Ion), peuvent faire tourner chaque roue indépendamment à des vitesses variables.
Lorsque le véhicule se penche vers l'avant, les deux moteurs accélèrent vers l'avant pour contrebalancer l'inclinaison. À l’inverse, une inclinaison vers l’arrière déclenche un mouvement inverse. La direction est obtenue par des vitesses différentielles des roues ou des roues contrarotatives, permettant au Segway de pivoter à gauche ou à droite.
Même si le Segway ne rivalise peut-être pas avec l'impact transformateur d'Internet, son ingénierie représente une convergence remarquable entre la physique, l'électronique et les logiciels :un exemple de la façon dont une expertise multidisciplinaire peut produire une solution de transport hautement fiable et auto-équilibrée.