DIY一輛屬於自己的 「賽格威」平衡車!

首先向大家表示歉意，去年發帖展示初代平衡車時就已經承諾編輯出一份製作說明，但一直未能完成，很是抱歉！

原因有四：
1、太過粗糙，發出來確實有礙觀瞻；
2、上次做車沒留下幾張照片，無圖無真相；
3、一直工作比較繁忙，實在沒能抽出時間；
4、（接原因2）本意儘快再做一個，留下照片。但女皇遲遲不給批款，所以才延誤至今！

此次為了完成自己的承諾，可是耗費了2月的零花錢。並且有視頻有真相，希望您能喜歡。
原理簡介

「賽格威」平衡車

「賽格威」（英語：Segway）是一種電力驅動、具有自我平衡能力的個人用運輸載具，是都市用交通工具的一種。由美國發明家狄恩·卡門與他的DEKA研發公司（DEKA Research and Development Corp.）團隊發明設計，並創立思維車責任有限公司（Segway LLC.），自2001年12月起將思維車商業化量產銷售。（資料來源：維基百科中文）

「賽格威」是一種讓人留下深刻印象的代步工具，它佔地不足一平方米，乘車人像使用滑板一樣站立其上，雙手解放，但卻可以僅通過身體移動改變重心位置，就進行前進後退，轉彎剎車等操作。傳統的交通工具都無法做到隨心而動，必須把大部分精力放在控制方向和速度上，而「賽格威」並不需要專門的操控裝置，一切由車身自主完成，也由此獲得了「平衡車」的別名。

「賽格威」平衡車看來神奇，但你有沒有發現它的原理其實很簡單呢？拜最新科技所賜，關鍵零件都可以在淘寶上直接買到，而控制程序也可以查閱原理自行編寫。擁有自己的平衡車，其實非常簡單。

倒立擺和機器人

「賽格威」的平衡問題，實際上是一個多級倒立擺問題。當一個人用手託住一根竹竿的底部使它在空中豎直不倒下，這就是一個一級倒立擺系統的模型。如果第一根竹竿上面用鉸鏈連著其他竹竿，或者竹竿本身具有一定的彈性（可比擬「賽格威」上的有骨骼和關節的大活人），就成了多級倒立擺。

用手撐竹竿的遊戲很多人都玩過，印象最深的應當是它是一個靜不穩定系統。在桌面上的水杯能自己站穩，當重心投影落於杯底內時，即使有細小擾動也不會倒下。但是手心裡的竹竿大部分時間重心投影不在接觸點上，讓竹竿保持相對不動靠的是動態調整——竹竿往哪邊倒，手就趕緊往哪邊湊，讓重心回到接觸點周圍。這就是依靠人眼，大腦和人手完成的動態平衡過程。

人類的大腦在處理這類問題上有先天優勢，因為人的走路過程本質上來說是不斷前跌的過程，必須依靠實時伸出支撐腳轉移重心來保證直立行進的動態平衡。而讓機器人做到這一點就很困難，需要綜合解決動態控制過程中的線性問題、魯棒性問題、鎮定問題、隨動問題以及跟蹤問題等諸多細節——所以至今見到的人形機器人裡，能僵硬走路的很多，但能和真人一樣上躥下跳的絕無僅有。


兩名民警駕駛「賽格威」單人警用巡邏車巡邏。

「賽格威」的動態平衡原理和倒立擺相同，將最上方的乘客作為擺臂，然後控制車輪維持系統重心使乘客直立。當駕駛人改變自己身體的角度往前或往後傾時，「賽格威」就會根據傾斜的方向前進或後退，而速度則與駕駛人身體傾斜的程度呈正比以保持平衡。這裡的一個巧妙設計是將乘客傳感和控制二合一了——「賽格威」前進或後退維持平衡的同時，也達成了按乘客意圖前進或後退的目的。最終，熟練的駕駛人可以和自己行走一樣，僅憑直覺就能完成前後左右各方向的運動，同時解放雙手和大腦思維，這一特點使「賽格威」特別適合遊覽和警用巡邏。

DIY自己的「賽格威」

和人類行走一樣，「賽格威」的控制也需要傳感器和致動器。它依靠MEMS技術製造的精密固態陀螺儀和加速度計感應車體的旋轉，速度和傾斜，高速微處理器計算傳感器數據，並驅動輪轂電機完成前進/後退/差速轉彎的動作。而在電路之外，為了讓它從實驗室中的倒立擺變成實用的代步車，還需要準備一些必需的結構零件和附件。
機械部分

此次設計的機械機構包括一個簡單的獨立懸掛。緩衝部分直接採用自行車的避震器（需要更換彈簧），機體做得不很緊湊，主要為了能夠拆卸摺疊，便於收放和運輸。（需要說明的是，結構已提交專利申請，請勿用於商業用途。）

整機材料很簡單，兩個獨立驅動的輪子+電機驅動板+車身角度傳感器+轉彎傳感器+電池+一個裝下這些東西的盒子 。兩個輪子、電機、避震器都是來自淘寶的成品。鈑金和機加件為單獨加工。
這裡貼一些製作圖片，詳細的零件工程圖列在最後。

整機外形

結構細節

電機安裝部分

電機為優耐特電機，250W，24v/質量不好，不作推薦。

電機法蘭部分剖視

轉向機部分：


整機背面


裝配過程

鋰電池倉

原設計為鉛酸電池，後一朋友為我無償提供了鋰電池，在此再次表示感謝。
車銑加工

電機法蘭安裝

整體安裝

電路部分

主控採用AVR的ATMEGA_32，電機驅動為H橋驅動方式，元件選用的IR2184和IRF1405。傳感器選用IDG300和ADXL335，電流傳感器為ACS755。另外還有一些外圍的小功能，可有可無，不詳述了。
控制驅動PCB圖

傳感器PCB圖

PCB空板

焊接需要注意的就是——別太馬虎就行。先焊低矮的元器件，再焊大個的！
焊接基本完成

連接電機測試

散熱器：

遙控和語音模塊

控制程序部分

果殼網友們的素質都很高，這裡就提一些關鍵部分。一些個人認為有用的代碼附在最後。
流程圖

車身角度獲取

選用的傳感器為模擬量輸出，因此只需要用單片機的AD採集數據後計算出角度值即可，需要注意的是，採集後的數據直接使用效果會很糟糕。需要再次進行濾波計算，得到一個準確、及時、抗擾動的真實角度數據。調速過程中可以用串口將數據輸出，輔助調試。
計算車輪速度

這裡就是簡單的PID控制車輪轉速，如果不記得就百度看看。調試參數會花點時間，剛開始參數別調過大，否則抖動起來有危險！另外需要設置角度過大停機的功能。
獲取轉向數據

轉向數據為採集轉向電位器而來，採集後的數據進行濾波處理後再用。轉向中間設置一個無效的死區，也是防止誤動作。
遙控


遙控為最普通的4鍵遙控器，淘寶成品。
語音

語音選用成品語音模塊，廠家提供完整說明文檔。
溫度

硬體原先選用18b20，很是遺憾這部分程序沒調通，可能原因1：系統必須有多處中斷，並且中斷服務程序比較多，因而打亂了18b20的時序，加上沒有示波器，因而沒調通。可能原因2：智商問題。

嘗試調試了近2小時無果後改用模擬量溫度晶片LM35D，電壓直接由電阻分壓而來。

其餘部分可自由發揮。
視頻演示（相關視頻，請百度搜索本文標題）

無視頻無真相，怕熊上門所以拍了一小段視頻。

客廳實在太小，還放了些雜物，能夠行走的地方就只有中間一小塊了，跑不開。

友情提示：此車有一定危險性，不排除摔倒、失控等問題，在空地上玩玩就好，打算用來代步上班的，請給自己買好保險！
附件1：零件工程圖


附件2：重點代碼
2.1車身角度濾波代碼

/************濾波************/
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;
}
//**************濾波*****************//
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;
}
//***************************** 濾波結束*********************************/


2.2 轉向數據處理代碼

/************轉向************/
void Steering_handle(void)
{

Buf= 0.9 *Buf + 0.1 * AD_Turn;
Turning= Buf -Turn_Zero; //
if(Turning <- Turn_Dead) //死區
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 //按車速整定轉向數據
{

//buf2=Drivespeed;
//if (buf2<0)buf2*=-1;
//buf2/=3;
//Turning/=buf2;
Turning/=1;
}

Drive_A=Drivespeed-Turning;
Drive_B=Drivespeed+Turning;

}
}
//***************************** 轉向結束*********************************/

2.3遙控部分狀態機

/***********按鍵********/
#define BOOL int
#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define INT8U unsigned int
/**********硬體接口***********/

#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))

/**********按恪鍵屬性**********/
#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電池電壓

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++;
}
}

本文轉載自：果殼科技

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