DIY一辆自己的“赛格威”平衡车！

DIY一辆自己的 “赛格威”平衡车！

上善若水42 2013-11-28 17:58

首先向大家表示歉意，去年发帖展示初代平衡车时就已经承诺编辑出一份制作说明，但一直未能完成，很是抱歉！

原因有四：
1、 太过粗糙，发出来确实有碍观瞻；
2、 上次做车没留下几张照片，无图无真相；
3、 一直工作比较繁忙，实在没能抽出时间；
4、 （接原因2）本意尽快再做一个，留下照片。但女皇迟迟不给批款，所以才延误至今！

此次为了完成自己的承诺，可是耗费了2月的零花钱。并且有视频有真相，希望您能喜欢。

原理简介

“赛格威”平衡车

图片来自 electrictourcompany.com

“赛格威”（英语：Segway）是一种电力驱动、具有自我平衡能力的个人用运输载具，是都市用交通工具的一种。由美国发明家狄恩·卡门与他的DEKA研发公司（DEKA Research and Development Corp.）团队发明设计，并创立思维车责任有限公司（Segway LLC.），自2001年12月起将思维车商业化量产销售。（资料来源：维基百科中文）

“赛格威”是一种让人留下深刻印象的代步工具，它占地不足一平方米，乘车人像使用滑板一样站立其上，双手解放，但却可以仅通过身体移动改变重心位置，就进行前进后退，转弯刹车等操作。传统的交通工具都无法做到随心而动，必须把大部分精力放在控制方向和速度上，而“赛格威”并不需要专门的操控装置，一切由车身自主完成，也由此获得了“平衡车”的别名。

“赛格威”平衡车看来神奇，但你有没有发现它的原理其实很简单呢？拜最新科技所赐，关键零件都可以在淘宝上直接买到，而控制程序也可以查阅原理自行编写。拥有自己的平衡车，其实非常简单。

倒立摆和机器人

“赛格威”的平衡问题，实际上是一个多级倒立摆问题。当一个人用手托住一根竹竿的底部使它在空中竖直不倒下，这就是一个一级倒立摆系统的模型。如果第一根竹竿上面用铰链连着其他竹竿，或者竹竿本身具有一定的弹性（可比拟“赛格威”上的有骨骼和关节的大活人），就成了多级倒立摆。

用手撑竹竿的游戏很多人都玩过，印象最深的应当是它是一个静不稳定系统。在桌面上的水杯能自己站稳，当重心投影落于杯底内时，即使有细小扰动也不会倒下。但是手心里的竹竿大部分时间重心投影不在接触点上，让竹竿保持相对不动靠的是动态调整——竹竿往哪边倒，手就赶紧往哪边凑，让重心回到接触点周围。这就是依靠人眼，大脑和人手完成的动态平衡过程。

人类的大脑在处理这类问题上有先天优势，因为人的走路过程本质上来说是不断前跌的过程，必须依靠实时伸出支撑脚转移重心来保证直立行进的动态平衡。而让机器人做到这一点就很困难，需要综合解决动态控制过程中的线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等诸多细节——所以至今见到的人形机器人里，能僵硬走路的很多，但能和真人一样上蹿下跳的绝无仅有。

两名民警驾驶“赛格威”单人警用巡逻车巡逻。图片来源：新华网

“赛格威”的动态平衡原理和倒立摆相同，将最上方的乘客作为摆臂，然后控制车轮维持系统重心使乘客直立。当驾驶人改变自己身体的角度往前或往后倾时，“赛格威”就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正比以保持平衡。这里的一个巧妙设计是将乘客传感和控制二合一了——“赛格威”前进或后退维持平衡的同时，也达成了按乘客意图前进或后退的目的。最终，熟练的驾驶人可以和自己行走一样，仅凭直觉就能完成前后左右各方向的运动，同时解放双手和大脑思维，这一特点使“赛格威”特别适合游览和警用巡逻。

DIY自己的“赛格威”

和人类行走一样，“赛格威”的控制也需要传感器和致动器。它依靠MEMS技术制造的精密固态陀螺仪和加速度计感应车体的旋转，速度和倾斜，高速微处理器计算传感器数据，并驱动轮毂电机完成前进/后退/差速转弯的动作。而在电路之外，为了让它从实验室中的倒立摆变成实用的代步车，还需要准备一些必需的结构零件和附件。

机械部分

此次设计的机械机构包括一个简单的独立悬挂。缓冲部分直接采用自行车的避震器（需要更换弹簧），机体做得不很紧凑，主要为了能够拆卸折叠，便于收放和运输。（需要说明的是，结构已提交专利申请，请勿用于商业用途。）

整机材料很简单，两个独立驱动的轮子+电机驱动板+车身角度传感器+转弯传感器+电池+一个装下这些东西的盒子 。两个轮子、电机、避震器都是来自淘宝的成品。钣金和机加件为单独加工。
这里贴一些制作图片，详细的零件工程图列在最后。

整机外形

结构细节

电机安装部分

电机为优耐特电机，250W，24v/质量不好，不作推荐。

电机法兰部分剖视

转向机部分：

整机背面

装配过程

锂电池仓

原设计为铅酸电池，后一朋友为我无偿提供了锂电池，在此再次表示感谢。

车铣加工

电机法兰安装

整体安装

电路部分

主控采用AVR的ATMEGA_32，电机驱动为H桥驱动方式，元件选用的IR2184和IRF1405。传感器选用IDG300和ADXL335，电流传感器为ACS755。另外还有一些外围的小功能，可有可无，不详述了。

控制驱动PCB图

传感器PCB图

PCB空板

焊接需要注意的就是——别太马虎就行。先焊低矮的元器件，再焊大个的！

焊接基本完成

连接电机测试

散热器：

遥控和语音模块

控制程序部分

果壳网友们的素质都很高，这里就提一些关键部分。一些个人认为有用的代码附在最后。

流程图

车身角度获取

选用的传感器为模拟量输出，因此只需要用单片机的AD采集数据后计算出角度值即可，需要注意的是，采集后的数据直接使用效果会很糟糕。需要再次进行滤波计算，得到一个准确、及时、抗扰动的真实角度数据。调速过程中可以用串口将数据输出，辅助调试。

计算车轮速度

这里就是简单的PID控制车轮转速，如果不记得就百度看看。调试参数会花点时间，刚开始参数别调过大，否则抖动起来有危险！另外需要设置角度过大停机的功能。

获取转向数据

转向数据为采集转向电位器而来，采集后的数据进行滤波处理后再用。转向中间设置一个无效的死区，也是防止误动作。

遥控

（图片来自网络）

遥控为最普通的4键遥控器，淘宝成品。

语音

语音选用成品语音模块，厂家提供完整说明文档。

温度

硬件原先选用18b20，很是遗憾这部分程序没调通，可能原因1：系统必须有多处中断，并且中断服务程序比较多，因而打乱了18b20的时序，加上没有示波器，因而没调通。可能原因2：智商问题。

尝试调试了近2小时无果后改用模拟量温度芯片LM35D，电压直接由电阻分压而来。

其余部分可自由发挥。

视频演示

无视频无真相，怕熊上门所以拍了一小段视频。

客厅实在太小，还放了些杂物，能够行走的地方就只有中间一小块了，跑不开。

友情提示：此车有一定危险性，不排除摔倒、失控等问题，在空地上玩玩就好，打算用来代步上班的，请给自己买好保险！

附件1：零件工程图

点击下载完整工程图（文件大小：6.15M）（本设计已提交专利申请，请勿用于商业用途。）

附件2：重点代码

2.1车身角度滤波代码

/************滤波************/

float P[2][2] = {{ 1, 0 },{ 0, 1 }};

float Pdot[4] ={0,0,0,0};

const char C_0 = 1;

float q_bias, angle_err, PCt_0, PCt_1, E, K_0, K_1, t_0, t_1;

float Q_angle=0.001, Q_gyro=0.003, R_angle=0.5, dt=0.01;

void Kalman_Filter(float angle_m,float gyro_m)

{

angle+=(gyro_m-q_bias) * dt;

Pdot[0]=Q_angle - P[0][1] - P[1][0];

Pdot[1]=- P[1][1];

Pdot[2]=- P[1][1];

Pdot[3]=Q_gyro;

P[0][0] += Pdot[0] * dt;

P[0][1] += Pdot[1] * dt;

P[1][0] += Pdot[2] * dt;

P[1][1] += Pdot[3] * dt;

angle_err = angle_m - angle;

PCt_0 = C_0 * P[0][0];

PCt_1 = C_0 * P[1][0];

E = R_angle + C_0 * PCt_0;

K_0 = PCt_0 / E;

K_1 = PCt_1 / E;

t_0 = PCt_0;

t_1 = C_0 * P[0][1];

P[0][0] -= K_0 * t_0;

P[0][1] -= K_0 * t_1;

P[1][0] -= K_1 * t_0;

P[1][1] -= K_1 * t_1;

angle += K_0 * angle_err;

q_bias += K_1 * angle_err;

angle_dot = gyro_m-q_bias;

}

//**************滤波*****************//

static float C_angle,C_angle_dot;

static float bias_cf;

void Complement_filter(float angle_m_cf,float gyro_m_cf)

{

bias_cf=0.998*bias_cf+0.002*gyro_m_cf;

C_angle_dot=gyro_m_cf-bias_cf;

C_angle=0.98*(C_angle+C_angle_dot*0.02)+0.02*angle_m_cf;

}

//***************************** 滤波结束*********************************/

2.2 转向数据处理代码

/************转向************/

void Steering_handle(void)

{

Buf= 0.9 *Buf + 0.1 * AD_Turn;

Turning= Buf -Turn_Zero; //

if(Turning <- Turn_Dead) //死区

Turning+=Turn_Dead;

else if(Turning> Turn_Dead)

Turning-=Turn_Dead;

else Turning= 0;

if (mode==0)

{

Drive_A=0;

Drive_B=0;

if (!(angle>0.1||angle<-0.1))

{

mode=1;

}

}

else

{

if(lab==0)

{

Turning=0;

}

else if (Turning>55||Turning<-55)//

{

Turning=0;

lab=3;// turn error

}

else //按车速整定转向数据

{

//buf2=Drivespeed;

//if (buf2<0)buf2*=-1;

//buf2/=3;

//Turning/=buf2;

Turning/=1;

}

Drive_A=Drivespeed-Turning;

Drive_B=Drivespeed+Turning;

}

}

//***************************** 转向结束*********************************/

2.3遥控部分状态机

/***********按键********/

#define BOOL int

#define FALSE 0

#define TRUE 1

#define INT8U unsigned int

/**********硬件接口***********/

#define KEYPIN1 (PINC&(1<<3))

#define KEYPIN2 (~PINB&(1<<0))

#define KEYPIN3 (~PINB&(1<<1))

#define KEYPIN4 (~PINB&(1<<3))

#define KEYPIN5 (~PINB&(1<<4))

/**********按恪键属性**********/

#define KEY_JT 0x0e

#define KEY_A 0x0d

#define KEY_B 0x0b

#define KEY_C 0x07

#define KEY_D 0x08

#define KEY_NULL 0x0f

//

#define KEY_LONG_PERIOD 250

#define KEY_CONTINUE_PERIOD 25

//

#define KEY_DOWN 0x80

#define KEY_LONG 0x40

#define KEY_CONTINUE 0x20

#define KEY_UP 0x10

//

#define KEY_STATE_INIT 0

#define KEY_STATE_WOBBLE 1

#define KEY_STATE_PRESS 2

#define KEY_STATE_LONG 3

#define KEY_STATE_CONTINUE 4

#define KEY_STATE_RELEASE 5

uchar KeyScan(void)

{

if(KEYPIN2==0) return KEY_A;

if(KEYPIN3==0) return KEY_B;

if(KEYPIN4==0) return KEY_C;

if(KEYPIN5==0) return KEY_D;

if(KEYPIN1==0) return KEY_JT;

return KEY_NULL;

}

void GetKey(uchar *pKeyValue)

{

static char KeyState = KEY_STATE_INIT;

static char KeyTimeCount = 0;

static char LastKey = KEY_NULL;

char KeyTemp = KEY_NULL;

KeyTemp = KeyScan();

switch(KeyState)

{

case KEY_STATE_INIT:

{

if(KEY_NULL!=(KeyTemp))

{

KeyState = KEY_STATE_WOBBLE;

}

}

break;

case KEY_STATE_WOBBLE:

{

KeyState = KEY_STATE_PRESS;

}

break;

case KEY_STATE_PRESS:

{

if(KEY_NULL!=(KeyTemp))

{

LastKey = KeyTemp;

KeyTemp|=KEY_DOWN;

KeyState = KEY_STATE_LONG ;

}

else

{

KeyState = KEY_STATE_INIT;

}

}

break;

case KEY_STATE_LONG:

{

if(KEY_NULL !=(KeyTemp))

{

if(++KeyTimeCount > KEY_LONG_PERIOD)

{

KeyTimeCount = 0;

KeyTemp|=KEY_LONG;

KeyState = KEY_STATE_CONTINUE;

}

}

else

{

KeyState = KEY_STATE_RELEASE;

}

}

break;

case KEY_STATE_CONTINUE:

{

if(KEY_NULL !=(KeyTemp))

{

if(++KeyTimeCount > KEY_CONTINUE_PERIOD)

{

KeyTimeCount = 0;

KeyTemp |= KEY_CONTINUE;

}

}

else

{

KeyState = KEY_STATE_RELEASE;

}

}

break;

case KEY_STATE_RELEASE:

{

LastKey |=KEY_UP;

KeyTemp = LastKey;

KeyState = KEY_STATE_INIT;

}

break;

default:break;

}

*pKeyValue = KeyTemp;

}

2.4电池电压

void Get_Batt_Volt(void)

{

int buf3=0,b=0;

buf3=0.9*buf3+0.1*AD_Batt;

if (b>10)

{

Voltage=buf3*3000.0/1024/65;

b=10;

}

else

{

b++;

}

}

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/6041c053783e0912a2162a9a.html