“賽格威”(英語:Segway)是一種電力驅(qū)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“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改變重心位置,就進行前進后退,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,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。當一個人用手托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(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”上的有骨骼和關節(jié)的大活人),就成了多級倒立擺。
用手撐竹竿的游戲很多人都玩過,印象最深的應當是它是一個靜不穩(wěn)定系統(tǒng)。在桌面上的水杯能自己站穩(wěn),當重心投影落于杯底內(nèi)時,即使有細小擾動也不會倒下。但是手心里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(tài)調(diào)整——竹竿往哪邊倒,手就趕緊往哪邊湊,讓重心回到接觸點周圍。這就是依靠人眼,大腦和人手完成的動態(tài)平衡過程。
人類的大腦在處理這類問題上有先天優(yōu)勢,因為人的走路過程本質(zhì)上來說是不斷前跌的過程,必須依靠實時伸出支撐腳轉(zhuǎn)移重心來保證直立行進的動態(tài)平衡。而讓機器人做到這一點就很困難,需要綜合解決動態(tài)控制過程中的線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等諸多細節(jié)——所以至今見到的人形機器人里,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。當駕駛?cè)烁淖冏约荷眢w的角度往前或往后傾時,“賽格威”就會根據(jù)傾斜的方向前進或后退,而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正比以保持平衡。這里的一個巧妙設計是將乘客傳感和控制二合一了 ——“賽格威”前進或后退維持平衡的同時,也達成了按乘客意圖前進或后退的目的。最終,熟練的駕駛?cè)丝梢院妥约盒凶咭粯?,僅憑直覺就能完成前后左右各方向的運動,同時解放雙手和大腦思維,這一特點使“賽格威”特別適合游覽和警用巡邏。
機械部分
此次設計的機械機構包括一個簡單的獨立懸掛。緩沖部分直接采用自行車的避震器(需要更換彈簧),機體做得不很緊湊,主要為了能夠拆卸折疊,便于收放和運輸。(需要說明的是,結(jié)構已提交專利申請,請勿用于商業(yè)用途。)整機材料很簡單,兩個獨立驅(qū)動的輪子+電機驅(qū)動板+車身角度傳感器+轉(zhuǎn)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。
這里貼一些制作圖片,詳細的零件工程圖列在最后。
整機外形
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 器。它依靠MEMS技術制造的精密固態(tài)陀螺儀和加速度計感應車體的旋轉(zhuǎn),速度和傾斜,高速微處理器計算傳感器數(shù)據(jù),并驅(qū)動輪轂電機完成前進/后退/差速轉(zhuǎn) 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(jié)構零件和附件。
結(jié)構細節(jié)
電機安裝部分
電機為優(yōu)耐特電機,250W,24v/質(zhì)量不好,不作推薦。
裝配過程
鋰電池倉
原設計為鉛酸電池,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,電機驅(qū)動為H橋驅(qū)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(qū)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
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采集數(shù)據(jù)后計算出角度值即可,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(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 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)會花點時間,剛開始參數(shù)別調(diào)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。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)進行濾波處理后再用。轉(zhuǎn)向中間設置一個無效的死區(qū),也是防止誤動作。
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,這里就提一些關鍵部分。一些個人認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(diào)通??赡茉?:智商問題。嘗試調(diào)試了近2小時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!
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