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Segway Schweiz

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Technologie
 

Technologie

Übersicht über das Antriebssystem (BSA)

Der Segway PT verwendet ein redundantes Antriebssystem, um das Fahrzeug auch bei Ausfall einer Komponente sicher kontrollieren zu können. Das System umfasst folgende primären Komponenten:

  • Ein Sensor-Modul (Balance Sensor Assembly „BSA“), welches Gyroskope und Beschleunigungsmesser beinhaltet und Signale für Brems- und Beschleunigungsbefehle erzeugt. Das Modul beinhaltet zwei redundante Systeme, die jeweils durch unterschiedliche Kontrolleinheiten gesteuert werden, und genügend Daten liefern, um das Fahrzeug zu steuern und auszubalancieren
  • Zwei Steuereinheiten (Control Unit „CU“), welche je einen Mikroprozessor für die Kontrolle der beiden Motoren umfassen, sowie zwei unabhängige Kontrolleinheiten, um die Motoren zuverlässig mit Energie zu versorgen
  • Zwei bürstenlose, elektrische DC Motoren, welche jeweils zwei redundante elektrische Wicklungen umfassen und somit jeden Motoren auch individuell antreiben können
  • Zwei Lithium-Ionen Saphion Akkus, welche genügend Energie für Steuerung und Antrieb liefern

Redundanz sorgt für hohe Betriebssicherheit

Das System ist redundant ausgelegt, um die Bremsung für den Fahrer jederzeit sicher zu gewährleisten. Bei normalem Betrieb teilen sich die beiden Steuereinheiten und Akkus die Last, was den Dauerbetrieb in einem effizienten Arbeitsbereich der Komponenten erlaubt. Bei einem partiellen Systemausfall können ein Akku und eine Kontrolleinheit die Hälfte der Wicklungen von jedem Motoren steuern und somit die Balance und Steuerungsfähigkeit erhalten. Das Fahrzeug wird bis zum sicheren Halt abgebremst und anschliessend abgeschaltet.

Im Falle eines Fehlers während der Fahrt führt der Segway PT eine Sicherheitsabschaltung durch, welche den Fahrer in etwa 10 Sekunden oder weniger zum sicheren Halt bringt. Wenn der Fehler anschliessend immer noch besteht, fährt das System nicht wieder hoch. Der Segway PT erlaubt folglich kein weiterer Betrieb mit nur einem Teil des Antriebsystems.

Umfassende Selbstkontrolle der Systeme

Jede Steuereinheit kann die andere über einen Kommunikationskanal im Sensor-Modul überwachen. Diese Kommunikationskanäle sind optisch isoliert, um Störung zu unterbinden. Sämtliche Kommunikations- und Energieverbindungen werden bei 100 Hz überwacht (100 Mal pro Sekunde).

Wenn der Segway PT eingeschalten wird, werden sämtliche Systeme vollständig durchgeprüft, bevor das Fahrzeug eingesetzt werden kann. Falls nicht beide Antriebssysteme verfügbar sind, kann das Gerät nicht in Betrieb genommen werden.

Leistungsstarke Motoren auch beim Bremsen

Statt mechanische Bremsen zu verwenden, verlässt sich der Segway PT für eine kontrollierte Abbremsung auf die leistungsfähigen bürstenlosen DC Motoren, welche die Bremskapazitäten kleiner Transportmittel erreichen oder diese sogar übersteigen. Bei der Bremsung wird über das integrierte Rekuperations-System die gewonnene Energie in die Akkus zurückgeführt.

Sensor Module (BSA)

Der Verbund von Gleichgewichtssensoren, 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 wird.

Sensor Module

Jedes Gyroskop ist in einem eigenen Winkel angebracht, was die Messung verschiedener Bewegungsrichtungen ermöglicht. Die Bordcomputer des Segway PT vergleichen laufend die Informationen aller fünf Gyroskope und messen, 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. Das Sensor-Modul wird von zwei unabhängigen Mikroprozessoren überwacht und ist aus Redundanzgründen in zwei unabhängige Syteme aufgeteilt. Sogar die Kommunikation zu den beiden Systemkomponenten ist optisch ausgeführt, um zu verhindern, dass sich elektrische Fehler von einer Seite auf die andere übertragen.

Steuereinheiten (CU)

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.

Steuereinheiten

Jede Steuerplatine ist mit einem Texas Instruments Signalprozessor ausgestattet, der das gesamte Segway PT System überwacht und 100 Mal pro Sekunde auf Fehler- oder sonstige Zustände prüft, die einer sofortigen Reaktion bedürfen. Er liest die Informationen der Gleichgewichtssensoren, um festzustellen, ob sich der Fahrer vorwärts oder rückwärts lehnt. Diese Informationen führen ohne Zeitverzögerung dazu, dass Energie von den Akkus 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 PT 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.

Motoren

Die Motoren des Segway PT sind auf viele Arten einzigartig. Hergestellt von Pacific Scientific, einem Geschäftsbereich von Danaher, sind dese die stärksten Motoren ihrer Gewichts- und Grössenklasse, die jemals in Massenproduktion gingen. Beide Motoren benötigen im Dauerbetrieb um 330 Watt und erbringen eine kurzzeitige Spitzenleistung von bis zu 4 PS.

Motoren

Die Motoren benutzen bürstenlose Servo-Technologie, sodass keine mechanischen Kontakte vorhanden sind, welche verschleissen und so die Leistung verringern. Die Magneten bestehen aus einem sehr kraftvollen und 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 deaktivert der Motor die fehlerhafte Wicklung und kontrolliert die verbleibende, um so die Kontrolle über den Segway PT zu behalten, bis dieser zum Anhalten gebracht wird. 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 und analoge Sensoren geben Rückmeldungen vom Motor an die Steuereinheiten, indem sie die Position der Magneten messen. Dabei ist die Motorachse das einzige bewegliche Teil.

Getriebe

Das Getriebe des Segway PT, 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 PT ermöglicht.

Getriebe

Jede Getriebestufe ist zu einem spiralförmigen Profil geschnitten, was für eine spiralförmige Verbindung sorgt, den 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. Die Ingenieure von Segway haben die Getriebeverzahnung so entwickelt haben, dass die entstehenden Geräusche exakt zwei musikalische Oktaven voneinander entfernt liegen. Wenn sich der Segway PT bewegt, macht er eher Musik als Lärm. Das Getriebe ist vormontiert sowie geschmiert und benötigt während der gesamten Lebensdauer des Segway PT keinerlei Wartung. Es wurde unter harten Betriebsbedingungen über viele tausend Kilometer getestet.

Bereifung

Michelin war einer der ersten Partner bei der Entwicklung des Segway PT. Die Reifen des Segway PT wurden speziell für dieses Fahrzeug entwickelt, wobei eine einzigartige Reifenmischung zum Einsatz kommt: eine Siliziumdioxid-Mischung statt der traditionell verwendeten kohlenstoffbasierenden Materialien. Diese bietet erhöhten Halt und minimiert die Spurenbildung speziell auf Böden in Innenräumen.

Bereifung

Die Reifen werden mit Spezialschlauch ausgerüstet und benötigen einen niedrigen Reifendruck. Durch diese Spezialentwicklung wird der Fahrkomfort erhöht und der Reibungswiderstand minimiert. Der Reifen wird auf einem gleichermassen einzigartigen Rad für den PT i2 montiert: das Rad besteht aus einem hochentwickelten fiberglasverstärkten Thermoplastik, welches in Zusammenarbeit mit GE Plastics ausgewählt wurde. Das Kompositmaterial ermöglicht geringes Gewicht, exzellente Haltbarkeit und reduziert Geräusche aus dem Antriebssystem. Bereifungen für den PT x2 sind die schlauchlosen Niederdruck-Reifen in den Versionen ‚Offroad‘ und ‚Turf‘. Nebst dem erhöhten Federkomfort bieten diese Reifen bessere Traktionseigenschaften im Gelände. Der Offroad-Reifen kann auch mit Schneeketten eingesetzt werden.

Akkus

Die neuen Segway PT Modelle sind mit Saphion Lithium Ionen Akkus bestückt. Segway hat die Zusammenarbeit mit Valence Technology gewählt, dem Leader im Bereich der Entwicklung effizienter und sicherer Akkumulatoren. Die Basis für die neuen Akkus bildet die Technologie Saphion® (patentiert von Valence), die auf Phosphaten aufbaut. Saphion ist stabil und sicher, also die ideale Lösung für den täglichen Einsatz mit längerer Lebensdauer als die herkömmlichen NiMH Akkus.

Die Reichweite erhöht sich, während sich die Ladezeit verringert. Jeder Akku besteht aus einem Verbund von Hochleistungs-Zellen und einer speziell entwickelten Steuerplatine, welche Temperatur und Spannung des Akkus an verschiedenen Stellen permanent überwacht.

Das Akku-Gehäuse 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 sämtlichen Extremtests einwandfrei widerstanden hat. Die im Akku integrierte Elektronik ermöglicht "intelligentes" Aufladen. Der Besitzer schliesst den Segway PT an die Steckdose an und der Akku wählt selbständig die passende Ladegeschwindigkeit – basierend auf Temperatur, Spannung und Ladestand. Die Akkus werden schnell geladen und wechseln dann in einen Ausgleichs- und Wartungsmodus. Der Segway PT Besitzer muss sich keine Gedanken über das Timing machen - einfach einstecken und der Rest geschieht automatisch.

Unter normalen Betriebsbedingungen überwacht der Segway PT beide Akkus zuverlässig und entlädt diese gleichmässig. Für den Fall eines Akku-Versagens kann das System bis zum Nothalt mit einem einzigen Akku sicher betrieben werden.