“賽格威”（英語：Segway）是一種電力驅(qū)動(dòng)、具有自我平衡能力的個(gè)人用運(yùn)輸載具，是都市用交通工具的一種“賽格威”是一種讓人留下深刻印象的代步工具，它占地不足一平方米，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(dòng)改變重心位置，就進(jìn)行前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎剎車等操作。傳統(tǒng)的交通工具都無法做到隨心而動(dòng)，必須把大部分精力放在控制方向和速度上，而“賽格威”并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(fā)現(xiàn)它的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單呢？拜最新科技所賜，關(guān)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(shí)非常簡(jiǎn)單。

倒立擺和機(jī)器人

“賽格威”的平衡問題，實(shí)際上是一個(gè)多級(jí)倒立擺問題。當(dāng)一個(gè)人用手托住一根竹竿的底部使它在空中豎直不倒下，這就是一個(gè)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)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(guān)節(jié)的大活人），就成了多級(jí)倒立擺。

用手撐竹竿的游戲很多人都玩過，印象最深的應(yīng)當(dāng)是它是一個(gè)靜不穩(wěn)定系統(tǒng)。在桌面上的水杯能自己站穩(wěn)，當(dāng)重心投影落于杯底內(nèi)時(shí)，即使有細(xì)小擾動(dòng)也不會(huì)倒下。但是手心里的竹竿大部分時(shí)間重心投影不在接觸點(diǎn)上，讓竹竿保持相對(duì)不動(dòng)靠的是動(dòng)態(tài)調(diào)整——竹竿往哪邊倒，手就趕緊往哪邊湊，讓重心回到接觸點(diǎn)周圍。這就是依靠人眼，大腦和人手完成的動(dòng)態(tài)平衡過程。

人類的大腦在處理這類問題上有先天優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿说淖呗愤^程本質(zhì)上來說是不斷前跌的過程，必須依靠實(shí)時(shí)伸出支撐腳轉(zhuǎn)移重心來保證直立行進(jìn)的動(dòng)態(tài)平衡。而讓機(jī)器人做到這一點(diǎn)就很困難，需要綜合解決動(dòng)態(tài)控制過程中的線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動(dòng)問題以及跟蹤問題等諸多細(xì)節(jié)——所以至今見到的人形機(jī)器人里，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(dòng)態(tài)平衡原理和倒立擺相同，將最上方的乘客作為擺臂，然后控制車輪維持系統(tǒng)重心使乘客直立。當(dāng)駕駛?cè)烁淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾時(shí)，“賽格威”就會(huì)根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)或后退，而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比以保持平衡。這里的一個(gè)巧妙設(shè)計(jì)是將乘客傳感和控制二合一了 ——“賽格威”前進(jìn)或后退維持平衡的同時(shí)，也達(dá)成了按乘客意圖前進(jìn)或后退的目的。最終，熟練的駕駛?cè)丝梢院妥约盒凶咭粯樱瑑H憑直覺就能完成前后左右各方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)解放雙手和大腦思維，這一特點(diǎn)使“賽格威”特別適合游覽和警用巡邏。

機(jī)械部分

此次設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)包括一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立懸掛。緩沖部分直接采用自行車的避震器（需要更換彈簧），機(jī)體做得不很緊湊，主要為了能夠拆卸折疊，便于收放和運(yùn)輸。（需要說明的是，結(jié)構(gòu)已提交專利申請(qǐng)，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途。）整機(jī)材料很簡(jiǎn)單，兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子+電機(jī)驅(qū)動(dòng)板+車身角度傳感器+轉(zhuǎn)彎傳感器+電池+一個(gè)裝下這些東西的盒子 。兩個(gè)輪子、電機(jī)、避震器都是來自淘寶的成品。鈑金和機(jī)加件為單獨(dú)加工。

這里貼一些制作圖片，詳細(xì)的零件工程圖列在最后。

整機(jī)外形

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(dòng) 器。它依靠MEMS技術(shù)制造的精密固態(tài)陀螺儀和加速度計(jì)感應(yīng)車體的旋轉(zhuǎn)，速度和傾斜，高速微處理器計(jì)算傳感器數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)完成前進(jìn)/后退/差速轉(zhuǎn) 彎的動(dòng)作。而在電路之外，為了讓它從實(shí)驗(yàn)室中的倒立擺變成實(shí)用的代步車，還需要準(zhǔn)備一些必需的結(jié)構(gòu)零件和附件。

結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

電機(jī)安裝部分

電機(jī)為優(yōu)耐特電機(jī)，250W，24v/質(zhì)量不好，不作推薦。

裝配過程

鋰電池倉

原設(shè)計(jì)為鉛酸電池，后一朋友為我無償提供了鋰電池，在此再次表示感謝。

整體安裝

電路部分

主控采用AVR的ATMEGA_32，電機(jī)驅(qū)動(dòng)為H橋驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)PCB圖

傳感器PCB圖

PCB空板

焊接需要注意的就是——?jiǎng)e太馬虎就行。先焊低矮的元器件，再焊大個(gè)的！

焊接基本完成

連接電機(jī)測(cè)試

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(jī)的AD采集數(shù)據(jù)后計(jì)算出角度值即可，需要注意的是，采集后 的數(shù)據(jù)直接使用效果會(huì)很糟糕。需要再次進(jìn)行濾波計(jì)算，得到一個(gè)準(zhǔn)確、及時(shí)、抗擾動(dòng)的真實(shí)角度數(shù)據(jù)。調(diào)速過程中可以用串口將數(shù)據(jù)輸出，輔助調(diào)試。這里就是簡(jiǎn) 單的PID控制車輪轉(zhuǎn)速，如果不記得就百度看看。調(diào)試參數(shù)會(huì)花點(diǎn)時(shí)間，剛開始參數(shù)別調(diào)過大，否則抖動(dòng)起來有危險(xiǎn)！另外需要設(shè)置角度過大停機(jī)的功能。轉(zhuǎn)向數(shù) 據(jù)為采集轉(zhuǎn)向電位器而來，采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后再用。轉(zhuǎn)向中間設(shè)置一個(gè)無效的死區(qū)，也是防止誤動(dòng)作。

散熱器：

遙控和語音模塊

控制程序部分

果殼網(wǎng)友們的素質(zhì)都很高，這里就提一些關(guān)鍵部分。一些個(gè)人認(rèn)為有用的代碼附在最后。

流程圖

遙控

硬件原先選用18b20，很是遺憾這部分程序沒調(diào)通，可能原因1：系統(tǒng)必須有多處中斷，并且中斷服務(wù)程序比較多，因而打亂了18b20的時(shí)序，加上沒有示波器，因而沒調(diào)通?？赡茉?：智商問題。嘗試調(diào)試了近2小時(shí)無果后改用模擬量溫度芯片LM35D，電壓直接由電阻分壓而來。其余部分可自由發(fā)揮。

友情提示：此車有一定危險(xiǎn)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(qǐng)給自己買好保險(xiǎn)！