Hoe werkt een hoverboard

Hoe werkt een hoverboard techniekToen ik zelf een hoverboard kocht was ik benieuwd naar de techniek die gebruikt werd in een hoverboard. Ik zocht op Internet en al snel vond ik enkele sites, maar het verhaal wat daar stond klopte niet met mijn elektrotechnische inzicht. Wat op deze pagina stond was gewoon fout en ik zag dat dezelfde kolder op meerdere pagina's trouw overgenomen was. Op Amerikaanse en Aziatische sites vond ik tenslotte een aantal artikelen die wel een goede en correcte uitleg gaven hoe de techniek van een hoverboard werkt. Een van de problemen die ik vaak zie is de verkeerde vertaling van de werking van de sensoren en het zelf niet begrijpen hoe een elektronische regelcircuit werkt. Daarom besloot ik een eigen pagina te schrijven over de werking van een hoverboard, waarbij ik probeer de correcte werking te beschrijven. Vriendelijke groet, Hein Pragt.

De electronische en mechanische werking van een hoverboard

© 2016 Hein Pragt

Binnenkant hoverboardEen hoverboard bestaat uit de volgende onderdelen: Een stalen frame met een scharnier in het midden, een logic (computer) board, twee gyroscopen, vier infrarood sensoren (twee en elke kant), twee elektromotoren die in de wielen verwerkt zitten, twee hall effect snelheid sensoren in de wielen, een lader ingang, een aan/uit schakelaar, een batterij pack, verlichting leds, indicatie leds, twee drukpanelen die de voet kunnen detecteren en een kunststof buitenkant. Aan beide zijden zien we het wiel met daarin ook de motor, deze zit met een centrale holle as verbonden met het chassis en door deze holle as lopen de aansluitdraden (3 voeding en 5 draden voor de hall effect sensoren) naar binnen, naar het motor control board naast elk wiel. Op deze motor control boards zitten ook de gyroscopen gemonteerd. In het midden zien we aan één kant het accu pack en aan de andere kant het computer board (logic board) waar alle aansluitingen uiteindelijk samenkomen.

De wielen

Binnenkant hoverboard wielDe elektromotoren van het hoverboard zitten in de wielen zelf, dit maakt het compact en er zijn geen tandwielen of overbrenging nodig. Het zijn vrij zware motoren zogenaamde "three-phase AC, permanent-magnet brushless" motoren. Normaal verwachten we in batterij gevoede toestellen een DC motor maar een AC motor is efficiënter in stroomgebruik en beter en sneller in vermogen te sturen. De wielen kunnen zowel vooruit als achteruit draaien met variabele snelheid. Voor het aansturen van de motor zijn drie dikke draden nodig. Daarnaast zit er een vijfpolige stekker aan de wielen waar de hall effect sensoren aan zitten die de snelheid (lees beweging) van het wiel heel nauwkeurig meten en doorgeven aan de centrale computer (logic controller). Sommige beschrijvingen zeggen dat er in de wielen ook sensoren zitten die de hoek lezen maar dit zou onzin zijn, aangezien de wielen draaien en zelden in dezelfde positie staan. In de willen zitten dus alleen de hall effect sensoren voor het meten van de omwenteling.

Infrarood sensoren

Infrarood sensor 1De bestuurder staat op twee rubber platen bovenop het hoverboard en onder deze rubber platen zitten twee platte staafjes die elk boven een infrarood sensor (poortje staan). Wanneer iemand op de rubberen plaatjes gaat staan dan zullen de plaatjes tussen de infrarood poortjes staan en dus de lichtkring verbreken. Zowel links als rechts zitten er voor en achter zo'n poortje en wanneer de bestuurder er normaal op staat zullen alle poortjes gesloten zijn en zijn beide wielen actief. In tegenstelling tot wat enkele andere Internet sites beweren hebben de ir poort schakelaars geen invloed op de rijrichting. De schakelaars werken op de volgende wijze, wanneer een één kant ten minst één van de schakelaars is ingedrukt zal het wiel aan die kant actief zijn en reageren op de gyroscoop aan die zijde. Ditzelfde gaat op voor de andere kant. De ir poort schakelaars zijn dus alleen bepalen of er een voet op staat en dat is één van de twee (aan één kant) al voldoende. Het maakt dus niet uit of de voorste of de achterste ir poort schakelaar ingedrukt wordt. Dit kun je eenvoudig testen door het board aan te zetten en precies recht te houden. Daarna knijp je met duim boven en vinger onder de rubber mat in en die achterkant van het hoverboard zal aangaan. Wanneer je het board recht houd zal het gewoon stil blijven staan en alleen op voorover en achterover hellen reageren. Het andere wiel is niet actief. Wanneer we dan aan de andere kant hetzelfde doen aan de voorkant blijft het board (als het recht staat) ook stilstaan. Dit geeft dus duidelijk aan dat die kant van het board waar ten minste één ir poort ingedrukt is actief is en wanneer aan beide kanten ten minste één ir poort ingedrukt is zullen beide kanten actief zijn.

De gyroscopen

Een gyroscoop is een vernuftig toestel dat al vrij oud is en het principe werd als een halve eeuw geleden toegepast in bijvoorbeeld de kunstmatige horizon en kompas van vliegtuigen. Het is er op gebaseerd dat een horizontale ronddraaien schijf altijd loodrecht op de aardas wil blijven staan. Hierdoor kan men dus de hoek tussen het aardoppervlak en de gyroscoop meten. Zie Wikipedia - gyroscoop. De elektronische variant doet precies hetzelfde, het geeft de hoek van de gyroscoop t.o.v. het aardoppervlak weer. De gyroscoop sensoren van het hoverboard geven dus de hoek naar voren of naar achter door aan de computer (logic board). Er zitten twee gyroscoop sensoren in het hoverboard, één zit aan de linkerkant en één zit aan de rechterkant zodat ze door het scharnier dat midden in het hoverboard zit, vrij van elkaar kunnen bewegen. De computer (logic board) kan met de informatie van de gyroscopen de wielen aansturen zodat het board naar de richting van de helling gaat rijden. Wanneer men stil staat zal het board zo zorgen (omdat het board als het ware weer rechtgetrokken zal worden) dat het board mooi rechtop blijft staan. Echter wanneer de bestuurder bewust voorover helt dan zal het board gaan rijden in deze richting in een poging het board weer recht onder de sensor te krijgen. Wanneer de bestuurder weer rechtop gaat staan, zal de computer (logic board) de wielen weer stoppen omdat de gyroscopen weer recht staan. De gyroscopen zijn de sensoren die in hoofdzaak dus de beweging van het board aansturen. De hall effect sensoren in de wielen zullen de beweging (rotatie) van de wielen terugkoppelen naar de computer (logic board) en hiermee kan ook de snelheid beperkt worden. Dit is geen fysieke beperking maar een berekening van de computer eenheid (logic board). De gyroscopen zitten samen met de motor besturing schakelingen op één board waarvan er dus twee in totaal zijn die elk naast de wielen gemonteerd zitten.

Kalibreren

De gyroscopen in het hoverboard moeten eerst zogenaamd "gekalibreerd" worden, dit betekent dat ze hun "nul" positie (volkomen horizontaal) weer moeten instellen. Soms kan het ook na een tijdje gebruik weer opnieuw nodig zijn. Dit doe je door het board op een vlakke ondergrond te zetten en dan de vlakken waarop de voeten staan helemaal recht te zetten. Dit zal later de ruststand positie zijn. Wat je moet doen om het board in kalibratie stand te krijgen kun je in de handleiding vinden.

Het logic board

Logic controller hoverboardHet logic board is het "brein" van het hoverboard en het is gewoon een klein computerboard met een processor die telkens de status van de sensoren leest en de motorsturing van de beide wielen aanstuurt. Een veelgebruikt board is de blauwe TaoTao logic board. Ook houdt dit board de energiebeheer onder controle en geeft het signalen af als de batterij leeg raakt. Dit board is in staat heel veel berekeningen per seconde te maken waarbij het de gyroscoop sensoren en de ir sensoren uitleest en de wielen heel nauwkeurig aan kan sturen.

De accu

Accu pack hoverboardDe accu is de bron van elektrische stroom die ervoor zorgt dat het board beweegt en dat de elektronica kan voeden. Er zijn verschillende soorten accu packs beschikbaar de meeste zijn accu's van 36V en 4400mAH. Dit is tevens het duurste component en ook het belangrijkste component voor de duur van het rijden. Ook is het dus voorgekomen dat goedkope accu packs bij het laden spontaan in brand vlogen of uit elkaar spatten. Laat nooit een hoverboard langer aan de lader dan strikt nodig is.

Waarom kan de bestuurder rechtop blijven staan?

Wanneer de schuifjes van beide ir sensoren ingedrukt zijn aan beide kanten zal de computer (logic board) de gyroscopen continue uitlezen en elke verstoring van de balans detecteren. Bij elke kleine verstoring kan het wiel een zeer kleine beweging maken waarna het weer vastgezet zal worden door een houdstroom zodat het board altijd horizontaal zal blijven staan. De bestuurder heeft dus het gevoel dat hij of zij op een stabiele ondergrond staat. Van deze zeer kleine correcties van de motoren merkt men bijna niets waardoor het bijna magische lijkt te zijn.

 

Boeken over elektronica

boekboek bestellenVeilig aan de slag met elektronica van A tot Z. Elektronica is overal. Kijk om je heen,kijk in je zakken! Wedden dat je daar een vernuftig stukje elektronica in aantreft? Wil je weten hoe het werkt? De basis is simpel, dat zal je zien. In begrijpelijk Nederlands leer je hoe elektriciteit werkt en met welke gereedschappen je goed voorbereid voor de dag komt. Ga aan de slag met de leuke en snelle projecten in dit boek en maak je de basis van elektronica eigen. Veel plezier! Cathleen Shamieh is technisch auteur met uitgebreide technische ervaring. Gordon McComb is consultant, fanatiek robothobbyist en auteur van meer dan zestig boeken. Stel je voor dat je eigenlijk niets van elektronica weet en op een dag tot de ontdekking komt dat je dat eigenlijk best wel zou willen. En dat jezelf op een efficiënte en leuke manier wil bijbrengen. Daar is dit boek geknipt voor je. Een gezond verstand, een heel klein beetje rekeninzicht, een beetje handigheid met wat simpel gereedschap. En dan word je in heldere en dagelijkse taal de wereld van de elektronica binnengeleid. Het is dus puur gericht op het zelf kunnen maken van in eerste instantie simpele schakelingetjes. Hoe bouw je een schakelingetje op en als het werkt hoe maak je er een net en definitief apparaatje van? Waar op internet haal je nog meer informatie als je die graag wil hebben? Waar zijn winkels die de onderdelen verkopen? Aan vrijwel alles is gedacht om je in staat te stellen er een leuke hobby van te maken. Aan het einde van het boek een hoofdstuk over robotjes en bijbehorende microcontrollers. Er zijn firma's die hierin gespecialiseerd zijn en je uiteraard aan van alles kunnen helpen. Voorbeelden en gegevens hierover worden verstrekt. En als je echt serieus wordt, kun je ook denken aan het nodige instrumentarium. Ook hieraan wordt in het boek veel aandacht besteed. Met register.

Last update: 19-10-2016
 Binnen dit thema



 Meer thema's


 Lees hier de privacyverklaring van deze site.

Disclaimer.

Hoewel de heer Hein Pragt de informatie beschikbaar op deze pagina met grote zorg samenstelt, sluit de heer Pragt alle aansprakelijkheid uit met betrekking tot de informatie die, in welke vorm dan ook, via zijn site wordt aangeboden. Het opnemen van een afbeelding of verwijzing is uitsluitend bedoeld als een mogelijke bron van informatie voor de bezoeker en mag op generlei wijze als instemming, goedkeuring of afkeuring worden uitgelegd, noch kunnen daaraan rechten worden ontleend. Op de artikelen van de heer Pragt op deze Internetsite rust auteursrecht. Overname van informatie (tekst en afbeeldingen) is uitsluitend toegestaan na voorafgaande schriftelijke toestemming van de rechthebbende. Voor vragen over copyright en het gebruik van de informatie op deze site kunt u contact opnemen met: (email: mail@heinpragt.com). Dit is mijn