Городские парусники, транспорт будущего или укрощение моноколеса

Технический прогресс сейчас часто делает приятные сюрпризы. Живешь себе, живешь, потом узнаешь в интернете о прикольной штуке, покупаешь и меняешь свою жизнь. Моноколесо или электрический самобалансирующийся уницикл переросло уровень игрушки и делает серьезную заявку на то, чтобы стать городским транспортом будущего, потеснив велосипеды и самокаты.

Глокая куздра

Моноколеса регулярно путают с гироскутерами, сегвеями и даже роботами-пылесосами. Поэтому стоит подробно рассказать, что же это такое. Конструктивно моноколесо представляет собой колесо с электромотором (мотор-колесо), которое берет энергию для работы от батарей и управляется контроллером.

Контроллер при помощи гироскопов знает свое положение в пространстве, а при помощи датчиков Холла — положение колеса относительно корпуса. Опираясь на эту информацию, контроллер решает задачу обратного маятника (то же самое, что удерживать карандаш острием на пальце), поворачивая колесо, чтобы педали с корпусом стояли горизонтально по продольной оси (вперед-назад). По поперечной оси (наклон влево-вправо) моноколесом управляет человек, который на нем едет. Немного отвлекаясь от темы, задача обратного маятника вообще довольно часто встречается в технике, например, ее же с большой точностью решает система управления космической ракеты-носителя.

Говоря простым языком, включенное колесо стремится "подъехать" под ездока, при этом позволяя наклонять себя влево и вправо. Для разгона нужно перенести вес вперед, для торможения — назад, а поворачивать можно наклоном колеса.

Сегвеи отличаются от моноколес тем, что балансируются по двум осям, имеют два колеса и поворачивают при помощи ручки.

Гироскутеры отличаются от моноколес тем, что у них два колеса, которые раздельно управляются поворотом педалей.

Также еще существуют одноколесные мотоциклы (моноциклы) с рулем и сиденьем, одноколесные самобалансирующиеся доски и прочая экзотика.

История моноколес

История моноколес весьма поучительна.

Разнообразные одноколесные устройства человечество изобретает давно, но все они были редкостью из-за того, что проигрывали в функциональности. Они были большими, плохо поворачивали, разгонялись и тормозили, или имели другие недостатки.

Один из первых патентов относится к середине 19 века, но вчистую проигрывает по удобству велосипеду.

В 20 веке появлялись агрегаты с мотором, но они в свою очередь проигрывали мотоциклам.

В 1960-х Чарльз Тейлор разработал самобалансирующийся одноколесный агрегат, он довольно неплохо ехал, но для балансировки в продольной оси пришлось использовать воздуходувку.

Ну и весь 20 век в цирках люди ездили на одноколесных велосипедах (унициклах). Кроме цирков, увы, устройства прижились плохо — не всякий готов учиться месяцами на них ездить, да и в удобстве они проигрывают велосипедам.

В то же время в 1978 году был выдан патент на то, что удивительно напоминает моноколесо.

У этого устройства было почти все, что нужно — электромотор с батареями, небольшое колесо и педали, на которых будет стоять человек. Но в 70-х годах гироскопы и управляющие микрокомпьютеры были уделом военной и аэрокосмической отраслей и стоили очень дорого. Поэтому изобретатель решил отдать все управление человеку. Через специальный стержень, который был, фактически, переменным резистором, наклон педалей превращался в усилие электромотора.

Не получается найти видео поездки на таком устройстве, но, скорее всего, на нем из-за несовершенства управления приходилось бы качаться вперед-назад. Мотор, кстати, тоже был выбран неудачно — для привода колеса использовался червячный редуктор.

В 2006 году был подан патент на агрегат с системой управления на акселерометрах и фантастической даже сегодня массой в 4 кг.

Во всем, кроме не нужных фиксаторов голени, эта конструкция обогнала свое время. До сих пор нет возможности разместить двигатель, батарею и контроллер внутри колеса. Возможно, лет через пять-десять подобные конструкции все-таки появятся.

Параллельно этим патентам, которые могли существовать только на бумаге, на рубеже веков стали появляться работающие устройства. Первыми стали сегвеи, вызвавшие фурор в 1999-2000 годах. Новому средству транспорта пророчили тотальное вытеснение всех других, но, как мы знаем, этому не суждено было сбыться. Оригинальные сегвеи имели совершенно неадекватную для массовой популярности стоимость. Кроме того, они не отличались особой компактностью, имели невысокие скорость и проходимость. Сейчас, спустя пятнадцать лет, сегвеи заняли довольно небольшую нишу прогулочных устройств, а компания-разработчик оригинальных сегвеев была недавно куплена китайской компанией Ninebot, которая начала с изготовления моноколес.

Технология уже почти была готова проклюнуться — стали появляться компании и отдельные изобретатели, которые совместили мотор-колесо, контроллер с гироскопами и литий-ионные батареи. Тревор Блоквелл создал Eunicycle.

Александр Полутник — Enicycle

Компания Focus Designs сделала SBU и даже научила ездить на нем Адама Сэвиджа из "Разрушителей мифов"

Но все эти изобретатели, во-первых, шли эволюционным путем, развивая идею одноколесного велосипеда с сиденьем, а во-вторых, не смогли начать массовое производство. Последние два шага до воплощения идеи моноколеса сделал Шейн Чен с компанией Inventist, который, во-первых, выкинул из конструкции сиденье, а во-вторых, сумел начать производство в объемах достаточно крупных для того, чтобы моноколеса стали заметным устройством. Так родилось моноколесо Solowheel (патент 2011 года)

Дальнейшая история немного грустная. Похоже, что после первоначального успеха Чен погнался за идеальным дизайном вместо производства. Как минимум две модели, Spirit и совершенно футуристический Orbit, которые показывались на выставках, не появились в серии.

И в 2016 году ассортимент Solowheel ограничен всего двумя моделями, которые уже морально устарели. Сразу несколько китайских компаний, начав с прямого копирования первого моноколеса, сейчас уже массово производят колеса, которые в разы дешевле, превосходят оригинальные по скорости и дальности пробега, имеют различный дизайн на разные вкусы и множество дополнительных удобств. Не удивлюсь, если скоро компанию Inventist, как и разработчика сегвеев, кто-нибудь купит исключительно ради патентов.

Моноколеса сегодня

Современные модели 2016 года могут похвастаться следующими характеристиками:

Скорость: Хиты сезона позволяют разогнаться до 40 километров в час, старые или дешевые модели имеют максимальную скорость в 15-20 км/ч. Специфика конструкции — то, что колесо стремится подъехать под райдера, означает, что можно попытаться разогнаться и выше максимальной паспортной скорости, но за счет потери безопасности. Колесо будет пищать, поднимать педали, сигнализируя о превышении максимальной скорости, и, в какой-то неприятный момент, не сумев вовремя подъехать под ноги, сбросит лихача. Не делайте так.
Мощность: Лидеры прячут "под капотом" полтора киловатта, на которых можно спокойно въехать в крутую горку. На контроллерах большинства колес стоят конденсаторы, которые могут в пике обеспечить 2-3 киловатта мощности для кочки или бордюра. Самые дешевые колеса используют моторы на 350 Вт, что небезопасно — такое колесо может сбросить ездока на кочке или подъеме. Безопасная езда начинается примерно с 500-800 Вт мощности.
Запас хода: Максимальная дальность сейчас уже превысила 100 км. По приближенной формуле можно рассчитать запас хода как емкость батареи в Ватт*часах/10 — 5. Т.е. колесо с батареей 340 Вт*ч сможет проехать примерно 340/10-5=29 км. Это примерные цифры, реальные зависят от веса райдера, стиля езды, средней скорости и температуры на улице (есть более продвинутый калькулятор). Типичными являются сборки батарей на 340, 480, 680, 820, 1360, 1600 Вт*ч. Также стоит отметить, что при заряде батарей ниже 30% максимальная скорость у колеса снижается — разряженные батареи не могут гарантировать мощность, которая нужна для быстрой езды.
Диаметр колеса: Типичными являются значения в 14, 16 и 18 дюймов. Большие диаметры улучшают проходимость, маленькие обеспечивают лучшую маневренность.
Вес: Обычно находится в диапазоне 12-23 кг.
Цена: В диапазоне 30-80 тысяч. Особняком стоят колеса Solowheel с ценником 100 и 150 тысяч и совсем дешевые колеса, которые вместо удовольствия от поездки скорее доставят одни проблемы.

Дополнительные удобства. Для облегчения жизни и повышения удовольствия от езды было создано довольно много технологических решений.

Ручка. Чтобы не таскать двадцать килограмм в руках, у некоторых моделей есть встроенная выдвижная ручка, при помощи которой очень удобно катить включенное колесо. В колеса без встроенной ручки ее можно добавить. Сложность такого добавления зависит от модели — где-то есть продающиеся отдельно фирменные ручки, где-то нужно сверлить корпус и сажать ручку на саморезы.

Фары и габариты. Для поездки в темное время суток у колес могут быть встроенные фары и габаритные огни с индикацией торможения, как на машине.

Боковая подсветка. Кроме повышения заметности райдера боковые огни могут кому-то просто нравиться.

USB-порт. В некоторых моделях есть встроенный USB-порт для зарядки гаджетов от мощных аккумуляторов колеса.

Кнопка выключения при переноске. Поднятое в воздух, моноколесо начинает раскручиваться, пытаясь стабилизироваться. Для того, чтобы избежать такого неудобства, в ручке некоторых колес есть специальная кнопка, автоматически выключающая колесо, когда его берут за ручку для того, чтобы перенести.

Bluetooth-колонки. Ехать на колесе в наушниках небезопасно. Поэтому довольно часто встречаются встроенные колонки, на которые можно транслировать музыку с телефона.

Приложения для телефона. У продвинутых колес есть приложения для IPhone и Android, в которых можно посмотреть параметры движения, статистику и выполнить некоторые настройки. Очень удобно.

Размышления о будущем

С такими темпами развития электротранспорта велосипеду придется серьезно потесниться в городе. И моноколесо является одним из конкурентов на место идеального городского транспорта "последней мили". Собственно говоря, у моноколес, на мой взгляд, есть только один серьезный противник — электросамокат. Давайте рассмотрим подробнее каждый вид.

Моноколесо.

Самое компактное по линейным размерам, прекрасно помещается в любой общественный транспорт.
Путевая скорость в среднем выше обычных велосипедов.
Поездка не требует больших физических усилий даже на холмистом рельефе, если ездить на работу, там не обязателен душ.
Цена сравнима с электровелосипедами.
Легче электровелосипедов.
Стильно смотрится
Управление телом максимально близко к управлению мыслью — нет кнопок/ручек газа и прочего.
Моноколесо не нуждается в велопарковке, находится рядом с хозяином, и, поэтому, не боится велосипедных воров.

Электросамокат

По занимаемому объему сравним с моноколесом — более длинный, но в сложенном состоянии имеет очень маленькую высоту.
Путевая скорость чуть меньше, или сравнима с моноколесом.
Также не требует больших физических усилий при поездке.
Немного дешевле моноколеса.
В среднем легче моноколеса.
Совсем не требует обучения.
Имеет немного меньшую проходимость и более чувствителен к покрытию, чем моноколесо из-за меньшего диаметра колес.
Тоже находится рядом с хозяином и не нуждается в парковке

Другие средства городского транспорта проигрывают. Полноразмерный велосипед не влезет в маленький автобус и с трудом влезет в большой, требует заметных физических усилий, особенно в горку. Складной велосипед чем лучше складывается, тем хуже едет. Электровелосипед самый быстрый, но в среднем самый дорогой и самый тяжелый. А если вы не научились ездить в детстве, то срок обучения сравним или больше, чем для моноколеса. Безмоторный самокат дешев, хорошо сочетается с общественным транспортом, но непригоден для длинных дистанций.

Все эти виды транспорта примерно одинаково уязвимы к плохой погоде или зиме. Отдельные энтузиасты ездят зимой на велосипедах или моноколесах, но это, наверняка, не будет массовым явлением.

Слабости моноколеса

То, что колесо самостоятельно балансируется, дает не только преимущества, но и слабые места. Моноколесо, как и другие самобалансирующиеся устройства, можно "продавить" — слишком сильно наклонившись, перегрузить мотор и слететь с педалей. Решение задачи обратного маятника требует сцепления с поверхностью — моноколесо начинает раскручиваться, если его поднять в воздух, и выключается по достижении предельной скорости. По этой же причине на моноколесе не получится дрифтовать, и пробуксовывания оно не любит. Из-за этого, например, не получится ехать по глубокому мягкому песку, где колесо начнет закапываться, буксовать, и сбрасывать ездока. Проблемы также могут возникнуть с глубокой грязью или льдом. Но небольшой слой песка или грязи на твердой поверхности моноколесо проходит без особых проблем, и повторюсь, его проходимость вполне можно сравнить с велосипедной (кроме специальных моделей типа фэтбайков).

Отдельной особенностью моноколес является чувствительность к внезапной нагрузке. Особенно неудачные модели контроллеров могут сгорать от попавшейся на дороге ветки, бывали случаи выхода из строя колес при попытке въехать с места на бордюр. В некоторых моделях стоят предохранители (обычные автомобильные на 40 А), которые защищают контроллер, но сгоревший предохранитель означает конец поездки и починку в домашних условиях — моделей с быстрой заменой пока не выпускают. У меня однажды сгорел предохранитель, когда колесо было поднято на бордюр и стало буксовать там в наклонном положении на скользкой поверхности. Но, учитывая молодость самой идеи самобалансирующегося устройства, думаю, в будущем нас ждут новые алгоритмы и контроллеры, в которых эта проблема будут решена окончательно.

Укрощение моноколеса

В середине 19 века велосипед был новым устройством, и на нем учились ездить взрослые. Марк Твен испытал прелести освоения езды на велосипеде и написал замечательный рассказ "Укрощение велосипеда". Сегодня большинство учится ездить на велосипеде в детстве и уже плохо помнит процесс. К тому же, трудности и травмы сглаживаются детским энтузиазмом и более легким отношением к жизни. В 21 веке моноколесо занимает примерно то же положение, что и велосипед полторы сотни лет назад — серьезные взрослые дяди учатся на нем кататься. Я, конечно, не Марк Твен, но, надеюсь, мой опыт вас позабавит и окажется полезным, когда вы захотите научиться ездить на моноколесе.
Дни -7-0. Колесо выбрано, куплено и едет в Уфу. В ожидании штудируется тема на форуме моноколесников "Как научиться кататься" и находится видео:

С теоретических позиций алгоритм выглядит идеально — без дополнительных приспособлений, последовательно, от простого к более сложному, и избегая ситуации "могу ехать, но не умею стартовать и спешиваться". На форуме пишут истории, как люди научились кататься за полчаса, задача не выглядит сколько-нибудь сложной. Оптимистично решаю, что за пару дней научусь ездить и буду кататься на работу (15 км в одну сторону).
День 1, суббота. Колесо обклеивается защитной лентой от царапин при падениях и вытаскивается в парк. В Уфе весь август стоит жара за тридцать, поэтому уже первые минуты ставят меня на грань теплового удара. Да и площадка выбрана очень маленькая, на ней крайне сложно учиться. ОК, буду вставать раньше, и ходить с утра, пока еще не совсем жарко. Длительность этой и последующих тренировок — час-полтора.
День 2. Площадка пуста, при +25 более-менее можно тренироваться. Но все равно тяжело. Колесо кажется очень тяжелым, постоянно норовит завалиться набок. Удерживать колесо ногой больно и непривычно, поэтому меняю ногу, подводя под это идеологическую базу, что я, возможно, амбидекстр.
День 3. На форуме пишут про здоровенные синяки на голени при обучении, некоторые даже покупают накладки. Но если этого бояться и не прижимать плотно ноги, то управлять колесом толком не получается. Кстати, синяков на голени у меня так и не появилось.
День 4. Четыре с лишним в сумме потраченных впустую часа заставляют начать серьезно сомневаться в своих силах. Потому что тренировка уныла — по часу каждый день, без какого-то успеха, пытаюсь научиться делать длинный шаг и перейти к езде на одной ноге. Нет, я, конечно, могу запрыгнуть на колесо одной ногой и проехать метр, но 110 см или секунду спустя я четко понимаю, что ехать дальше нет никакой возможности. Удобнее стартовать с левой ноги, но, когда уже под конец тренировки меняю ее на правую, то начинает казаться, что почти могу ехать. Решено менять ногу.
День 5. Самое большое достижение — влезть на колесо одной ногой, успеть обрадоваться, что едешь уже вторую секунду, и тут же слететь с него.
День 6. Шесть часов обучения. Нет, я все-таки положительно самый бесталантный человек на земном шаре и вполне могу получить сомнительные лавры единственного идиота, который не сумел научиться ездить на моноколесе. Прогресс? Замечательный — вылетевшее из-под ног колесо ободрало туфлю, а в еще паре попыток я очень больно получал педалью по ноге. Около косточки на ноге зреет большой синяк.
День 7. Я, наверное, мутант. У меня центр тяжести расположен в двадцати сантиметрах вправо от правого плеча. Если я стартую с левой ноги, то падаю вправо. Если с правой — то тоже вправо. Зато на четвертый час индеец Зоркий Глаз заметил, что у сарая всего три стенки — если сложить одну педаль (я же все равно тренирую длинный шаг на одной ноге), то ей нельзя получить больно по ноге.
День 8. Наверное, в методике обучения есть какой-то изъян, или она мне не подходит. Мобилизую на помощь жену и тренирую другой способ — вставать на колесо двумя ногами и ехать, опираясь на ее плечо. Для того, чтобы попросить помощи на форуме, записываю видео — вдруг они заметят мои ошибки?

Но уже после записи этого видео хождения по кругу с опорой на плечо жены дают свои результаты — я начинаю делать змейку, и, отрываясь, могу проехать метров пять. Вин!
День 9. Ура, я могу проехать уже минуту, причем, стартуя сам! Надо записать видео.

По видео этого не заметно, но здесь я езжу, как цирковая лошадка — по кругу. Поворот получается совершенно бессознательно, влево, и как ехать прямо или поворачивать направо, я совершенно не понимаю. Но за час, волевыми усилиями, осваиваю правые повороты и даже выбираюсь прокатиться по велодорожке в парке.
День 10. Ну а тут уже все просто. 15 минут на то, чтобы вспомнить, как стартовать и поворачивать направо (будьте готовы, вначале будет чуть забываться навык), и я уже гоняю по дорожкам, слушая похвалы пенсионеров, которые наблюдали за моими ежеутренними мучениями.

Вывод: На колесе можно научиться ездить быстро, я просто учился по не подходящей конкретно мне методике. Начните с циркуля, попробуйте поделать длинный шаг, это пригодится для старта и остановки, а затем, если не получается, учитесь ездить с опорой. Ну и наличие опытного инструктора очень помогает — я так сумел за час научить ездить по прямой (без поворотов) знакомого.

Моноколеса и ПДД

В ближайшие годы ПДД придется редактировать, потому что моноколеса, сегвеи, гироскутеры или электросамокаты в современную редакцию совсем не вписываются, но становятся все более популярными. Одноколесные транспортные средства в ПДД не упомянуты вообще, и это логично, потому что унициклы были большой редкостью. Если не учитывать количество колес, то по максимальной скорости до 50 км/ч и двигателю мощностью до 4 кВт моноколесо получается мопедом. А это никуда не годится, потому что на проезжей части моноколесам и электросамокатам делать нечего. Снижение же мощности до уровня максимально возможных по ПДД для велосипедов 250 Вт, чтобы вписать их в велосипеды, сделает колесо небезопасным. Запрет на электротранспорт, как это было сделано в Великобритании, Праге или Пекине глуп, и не остановит прогресс. Остается только надеяться, что путь к привычному транспортному средству не будет сложным для электротранспорта.

Меры безопасности

Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Поэтому на современных быстрых колесах падение на скорости 30-40 км/ч может привести к серьезным последствиям. По статистике чаще всего страдают ладони, локти и колени, поэтому для поездок на моноколесе не пожалейте денег и купите роллерную защиту. При падении на небольшой скорости можно отделаться ссадинами, но и в этом случае защита окупится, сохранив в целости вашу одежду. Насчет необходимости шлема ведутся споры, но лишним он не будет — голова обычно очень ценная часть тела. Мотоциклетные куртки и "черепахи" пока излишни, хотя, если новые колеса станут еще быстрее, то придется задуматься и о них.

Не стоит слушать музыку в наушниках и, особенно, смотреть в телефон, когда вы едете. Это понижает информированность о том, что вокруг вас происходит, а в случае падения телефон обязательно выскочит из рук и разобьется. Жалко.

Экономическая составляющая

Зная примерный пробег на одной зарядке, емкость батареи и стоимость киловатт*часа можно вычислить расход в рублях на километр пути. Например, у меня на 30 км на работу и обратно тратится примерно половина батареи, т.е. 0,34 кВт*ч (у меня батарея 680 Вт*ч). Следовательно на 1 км я буду тратить 0,011 кВт*ч, и цена одного кВт*ч в 2,74 рубля даст мне стоимость километра в три копейки. В реальности будут потери на зарядном устройстве и прочее, но один километр обойдется не дороже пяти копеек. При желании можно даже посчитать окупаемость. Если я трачу на дорогу туда и обратно 50 рублей на общественном транспорте и 1,37 рубля на моноколесе, то колесо стоимостью 54 тысячи окупится за 1110 дней или три года. Но если сравнивать с такси, то моноколесо окупится уже за один сезон в ~130 дней. Понятно, что цифры окупаемости умозрительны, но электричество для колеса действительно стоит буквально копейки. С учетом отсутствия выбросов при езде и низкого расхода ресурсов на производство моноколеса, оно получается крайне экологичным.

Личный опыт

Я езжу на моноколесе с начала августа, проехал примерно 600 км. Это удивительный опыт. Колесо чувствуется почти как часть тела и управляется практически мыслью. При езде создается удивительное ощущение прогулки и путешествия одновременно, а для моноколес хочется использовать романтические аллегории планирующего полета или движения под парусом. 15 км до работы и обратно я проезжаю чуть медленнее общественного транспорта (примерно час против 40-50 минут на автобусе) благодаря велодорожке через весь город. При средней путевой скорости в 17 км/ч я обгоняю не только велосипедистов, но даже троллейбусы и медленные автобусы.

А вот так выглядит прогулка на моноколесе по городу. Уфа — очень зеленый и красивый город, и я постарался проехать мимо достопримечательностей.

В России сообщество моноколесников обитает на форуме электротранспорта.

В Москве 25 сентября состоятся уже вторые моноколесные соревнования. Вход свободный, но требуется регистрация. Если вы заинтересовались, там можно пообщаться с энтузиастами моноколес.