DIY一辆自己的 “赛格威”平衡车！

xiepan2010 · 发表于 2013-11-29 09:17:54

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

[media=x,500,375]%5Bmedia=x,500,375%5Dhttp://v.youku.com/v_show/id_XNjM2MDM2NDU2.html[/media][/media]

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。）

xiepan2010 · 发表于 2013-11-29 09:19:28

http://v.youku.com/v_show/id_XNjM2MDM2NDU2.html

深圳晓辉 · 发表于 2013-11-29 10:31:41

你好，感谢您的分享，我也想自己动手DIY一个，但对算法还没想明白。是不是只需要陀螺仪和加速度融合后的数据就可以，还需要速度传感器或者电流传感器之类的吗？谢谢

robotkid · 发表于 2013-11-29 11:31:12

结构还可以啦,这种电机安装板我找附近机箱厂激光切割了不少片,试过直接把电机装在1.5MM钣金铁板的车架上,已经是最轻结构了

ahuang227 · 发表于 2013-11-29 14:00:57

不注册不能下载附件，建议直接传到这边，而不是给链接。

ahuang227 · 发表于 2013-11-29 16:15:04

怎么图片还没刷出来啊。

这个是个标准长度的尾巴，你能看到这个尾巴说明你的浏览器是正常的。欢迎光临我的淘宝店。

xl1736 · 发表于 2013-11-30 16:07:31

顶下，mark！

xl1736 · 发表于 2013-11-30 16:12:44

楼主，你好，我想买你一套机械件，不知道要多少钱？？
我还是学生，我也想自己DIY一辆这个车。

xiepan2010 · 发表于 2013-11-30 16:28:02

xl1736 发表于 2013-11-30 16:12
楼主，你好，我想买你一套机械件，不知道要多少钱？？
我还是学生，我也想自己DIY一辆这个车。 ...

这个成本很高光是结构件就花了1k多建议你别购买

ouyj_0210 · 发表于 2013-11-30 20:57:03

看不到图是怎么回事？下附件还要帐号？

xl1736 · 发表于 2013-12-1 16:50:25

xiepan2010 发表于 2013-11-30 16:28
这个成本很高光是结构件就花了1k多建议你别购买

1.2K能拿下么？可以的话楼主能否帮我弄一套？

xiepan2010 · 发表于 2013-12-2 12:24:45

xl1736 发表于 2013-12-1 16:50
1.2K能拿下么？可以的话楼主能否帮我弄一套？

全套成本3k多了

xl1736 · 发表于 2013-12-2 14:42:08

xiepan2010 发表于 2013-12-2 12:24
全套成本3k多了

我指不含电机的机械部分

xiepan2010 · 发表于 2013-12-2 15:32:58

xl1736 发表于 2013-12-2 14:42
我指不含电机的机械部分

qq 791582941

到底叫什么才好 · 发表于 2014-1-3 12:07:02

大成本啊

jink20080509 · 发表于 2014-9-2 17:56:28

顶一下，机械结构现在还有提供吗？

Arthur244 · 发表于 2014-9-2 17:59:16

摇杆控制转向是直接由机械结构来设计还是通过电子控制来实现。。

Yahom · 发表于 2014-9-18 11:23:52

结构好漂亮，还有减震，厉害

qq910130528 · 发表于 2014-9-18 11:33:05

这个NB...赞

honami520 · 发表于 2014-9-18 12:36:29

很厉害的啊！！！

liu672992381 · 发表于 2014-9-18 12:45:48

感觉不是很安全的样子，只能开到20KM/h。不太适合我这类人。

atianjun · 发表于 2014-9-18 14:11:20

结构不错

lce · 发表于 2014-9-18 14:19:59

不错

yanjiesh · 发表于 2014-9-18 16:45:54

不错挺厉害的。

gyqjc · 发表于 2014-9-18 17:17:39

厉害，超级厉害，不错。

eyyhappy · 发表于 2014-9-18 18:55:16

搞个滑板车式样的不需要把宝贵的电力用在保持平衡上面续航更远

zhuobenwu · 发表于 2014-9-20 11:21:03

牛逼啊！

RudeBoy · 发表于 2014-9-20 12:22:24

这个用什么软件画的图？

RudeBoy · 发表于 2014-9-20 13:10:48

攀哥顶一个

nonez · 发表于 2014-9-20 13:27:51

不知道走那种坑坑洼洼的人行道稳不稳？

qrytian · 发表于 2014-9-21 11:48:07

顶一个啊，好东西。

fengxin32 · 发表于 2014-9-21 14:17:12

怕熊上门
楼主混龙空？

liliuqun · 发表于 2014-9-21 15:56:42

楼主轮胎在哪里买的，我在找这种轮胎

oner · 发表于 2014-9-21 16:41:36

好东西。顶一个。

lsfsxfljj · 发表于 2014-9-21 19:37:38

牛比

xiepan2010 · 发表于 2014-9-21 20:36:34

liliuqun 发表于 2014-9-21 15:56
楼主轮胎在哪里买的，我在找这种轮胎

淘宝搜索手推车轮子 10寸

坚持学习 · 发表于 2014-9-21 21:02:57

MARI

CrystalShell · 发表于 2014-9-21 22:56:19

挺好的东西，要是搞个开源的就好了

vc9181 · 发表于 2014-10-5 20:20:30

没看到有实际价值的东西

zhandouji · 发表于 2014-10-5 20:28:30

现在越来越感觉会机械很牛B的，光会电子很单薄！

Hearthbeats · 发表于 2014-10-7 11:04:14

我们实验室也做了很多台，不过跟LZ的不太一样，是用的STM32的芯片，还有用的是轮毂电机，没有带减震系统，其他的差不多吧。请问LZ的是去做产品还是自己玩的

xiepan2010 · 发表于 2014-10-7 17:33:58

Hearthbeats 发表于 2014-10-7 11:04
我们实验室也做了很多台，不过跟LZ的不太一样，是用的STM32的芯片，还有用的是轮毂电机，没有带减震系统， ...

自己玩的车子都放在墙角生锈了好久没动过了

lingdianhao · 发表于 2014-10-7 17:43:25

佩服动手能力真强。

HJJ2008 · 发表于 2014-10-7 18:08:25

xiepan2010 发表于 2014-10-7 17:33
自己玩的车子都放在墙角生锈了好久没动过了

出吗？什么价位;合适也收来玩一下;

xiepan2010 · 发表于 2014-10-7 19:34:05

HJJ2008 发表于 2014-10-7 18:08
出吗？什么价位;合适也收来玩一下;

qq 791582941 随便给个价拿去放着占位置

brmxd · 发表于 2014-10-9 09:04:06

不错

konger2012 · 发表于 2014-10-10 17:04:53

牛逼啊！,厉害

黑巧克力 · 发表于 2014-10-14 09:28:47

这个厉害啊！！这都可以量产了！！！

tdchenke · 发表于 2015-8-8 10:25:08

DIY的很赞佩服

Lawson · 发表于 2015-8-11 14:01:58

LZ不错，可以量产上市了

zrcx · 发表于 2015-8-11 14:26:54

厉害，机械电子通吃！

心有林夕 · 发表于 2016-1-15 20:44:16

厉害！顶一个！

kennyzhou · 发表于 2016-1-27 19:05:31

学习了，谢谢分享。

qinhuan7 · 发表于 2016-2-5 16:33:04

NB啊，机械电子算法通吃了

DIY一辆自己的 “赛格威”平衡车！

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