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自平衡電動車自動平衡運作原理主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當?shù)闹噶詈?，?qū)動馬達來做到平衡的效果。正確打開電源且能保持足夠運作的電力，車上的人就不用擔心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛?cè)俗约哼M行平衡的滑板車等交通工具大大不同。
由于兩輪自平衡電動車的兩輪結(jié)構(gòu)，使得它的重心在上、支點在下，故在非控制狀態(tài)（或靜態(tài)）下為一不穩(wěn)定系統(tǒng)。然而，可以利用倒立擺系統(tǒng)的控制原理，通過微處理器的控制使它能夠如倒立擺一樣穩(wěn)定在一個平衡位置處，并能在保持平衡的狀態(tài)下按照使用者的指令要求正常運行。兩輪自平衡電動車實際上是一級直線式倒立擺和旋轉(zhuǎn)式倒立擺的結(jié)合體，它的控制原理與倒立擺系統(tǒng)的基本一致。更形象地說，自平衡電動車的工作原理更像人行走的過程。對于人而言，當人體的重心向前傾斜并失去平衡時，人通過自身的感覺器官能夠察覺到自己身體的傾斜（角度），于是他會做出一個反應(yīng)——向前邁出一步來防止自己摔倒在地上。如果身體一直前傾，為了保持平衡，人就會一步又一步地往前走。因此，如果將兩個由電機驅(qū)動的車輪看成人的雙腿，再加上能夠測量車體相對于水平面傾角大小和速度的傳感器，后通過微處理器的控制便能夠?qū)崿F(xiàn)車體自平衡的效果。因而當人站在車上時，只要將身體帶動車體一起往前傾（或后傾）就可以實現(xiàn)電動車載人前進（或后退）。
