DIY一辆自己的 赛格威平衡车.docx
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DIY一辆自己的 赛格威平衡车.docx
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DIY一辆自己的赛格威平衡车
DIY一辆自己的“赛格威”平衡车!
原理简介
“赛格威”平衡车
图片来自
“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(DEKAResearchandDevelopmentCorp.)团队发明设计,并创立思维车责任有限公司(SegwayLLC.),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
果壳网友们的素质都很高,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XX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
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
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