首先向大家表示歉意，去年發(fā)帖展示初代平衡車時(shí)就已經(jīng)承諾編輯出一份制作說(shuō)明，但一直未能完成，很是抱歉！

原因有四：

1、 太過(guò)粗糙，發(fā)出來(lái)確實(shí)有礙觀瞻；

2、 上次做車沒(méi)留下幾張照片，無(wú)圖無(wú)真相；

3、 一直工作比較繁忙，實(shí)在沒(méi)能抽出時(shí)間；

4、 （接原因2）本意盡快再做一個(gè)，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(fèi)了2月的零花錢。并且有視頻有真相，希望您能喜歡。

原理簡(jiǎn)介

“賽格威”平衡車

“賽格威”（英語(yǔ)：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。由美國(guó)發(fā)明家狄恩·卡門與他的DEKA研發(fā)公司（DEKA Research and Development Corp.）團(tuán)隊(duì)發(fā)明設(shè)計(jì)，并創(chuàng)立思維車責(zé)任有限公司（Segway LLC.），自2001年12月起將思維車商業(yè)化量產(chǎn)銷售。（資料來(lái)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(guò)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(wú)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(lái)神奇，但你有沒(méi)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(wèn)題，實(shí)際上是一個(gè)多級(jí)倒立擺問(wèn)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(guò)，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(guò)程。

人類的大腦在處理這類問(wèn)題上有先天優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿说淖呗愤^(guò)程本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是不斷前跌的過(guò)程，必須依靠實(shí)時(shí)伸出支撐腳轉(zhuǎn)移重心來(lái)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(guò)程中的線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題以及跟蹤問(wèn)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(wú)僅有。

兩名民警駕駛“賽格威”單人警用巡邏車巡邏。圖片來(lái)源：新華網(wǎng)

“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(jué)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。

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。

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(shuō)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(lái)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

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。

電機(jī)法蘭部分剖視

轉(zhuǎn)向機(jī)部分：

整機(jī)背面

裝配過(guò)程

鋰電池倉(cāng)

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

車銑加工

電機(jī)法蘭安裝

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(wú)，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

散熱器：

遙控和語(yǔ)音模塊

控制程序部分

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

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(guò)程中可以用串口將數(shù)據(jù)輸出，輔助調(diào)試。

計(jì)算車輪速度

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(guò)大，否則抖動(dòng)起來(lái)有危險(xiǎn)！另外需要設(shè)置角度過(guò)大停機(jī)的功能。

獲取轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)為采集轉(zhuǎn)向電位器而來(lái)，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(wú)效的死區(qū)，也是防止誤動(dòng)作。

遙控

遙控為最普通的4鍵遙控器，淘寶成品。

語(yǔ)音

語(yǔ)音選用成品語(yǔ)音模塊，廠家提供完整說(shuō)明文檔。

溫度

硬件原先選用18b20，很是遺憾這部分程序沒(méi)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(méi)有示波器，因而沒(méi)調(diào)通。可能原因2：智商問(wèn)題。

嘗試調(diào)試了近2小時(shí)無(wú)果后改用模擬量溫度芯片LM35D，電壓直接由電阻分壓而來(lái)。

其余部分可自由發(fā)揮。

視頻演示

無(wú)視頻無(wú)真相，怕熊上門所以拍了一小段視頻。

客廳實(shí)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(xiǎn)性，不排除摔倒、失控等問(wèn)題，在空地上玩玩就好，打算用來(lái)代步上班的，請(qǐng)給自己買好保險(xiǎn)！

附件1：零件工程圖

點(diǎn)擊下載完整工程圖（文件大小：6.15M）（本設(shè)計(jì)已提交專利申請(qǐng)，請(qǐng)勿用于商業(yè)用途。）

附件2：重點(diǎn)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(jié)束*********************************/

2.2 轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)處理代碼

/************轉(zhuǎn)向************/

void Steering_handle（void）

{

Buf= 0.9 *Buf + 0.1 * AD_Turn;

Turning= Buf -Turn_Zero; //

if（Turning 《- Turn_Dead） //死區(qū)

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(zhuǎn)向數(shù)據(jù)

{

//buf2=Drivespeed;

//if （buf2《0）buf2*=-1;

//buf2/=3;

//Turning/=buf2;

Turning/=1;

}

Drive_A=Drivespeed-Turning;

Drive_B=Drivespeed+Turning;

}

}

//***************************** 轉(zhuǎn)向結(jié)束*********************************/

2.3遙控部分狀態(tài)機(jī)

/***********按鍵********/

#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++;

}

}