电子奇才DIY“赛格威”平衡车全过程

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。

“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”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。

“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。
 

附件1：零件工程图

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++;
        }    
}