电子DIY奇才自造超炫赛格威平衡车

　　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

　　

　　“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

　　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

　　

 

　　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++;

　　}

　　}