首先向大家表示歉意，去年發帖展示初代平衡車時就已經承諾編輯出一份制作說明，但一直未能完成，很是抱歉！

原因有四：

1、 太過粗糙，發出來確實有礙觀瞻；

2、 上次做車沒留下幾張照片，無圖無真相；

3、 一直工作比較繁忙，實在沒能抽出時間；

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

原理簡介

“賽格威”平衡車

“賽格威”（英語：Segway）是一種電力驅動、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。由美國發明家狄恩·卡門與他的DEKA研發公司（DEKA Research and Development Corp.）團隊發明設計，并創立思維車責任有限公司（Segway LLC.），自2001年12月起將思維車商業化量產銷售。（資料來源：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，但卻可以僅通過身體移動改變重心位置，就進行前進后退，轉彎剎車等操作。傳統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，但你有沒有發現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定系統。在桌面上的水杯能自己站穩，當重心投影落于杯底內時，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調整——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平衡過程。

人類的大腦在處理這類問題上有先天優勢，因為人的走路過程本質上來說是不斷前跌的過程，必須依靠實時伸出支撐腳轉移重心來保證直立行進的動態平衡。而讓機器人做到這一點就很困難，需要綜合解決動態控制過程中的線性問題、魯棒性問題、鎮定問題、隨動問題以及跟蹤問題等諸多細節——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。圖片來源：新華網

“賽格威”的動態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重心使乘客直立。當駕駛人改變自己身體的角度往前或往后傾時，“賽格威”就會根據傾斜的方向前進或后退，而速度則與駕駛人身體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，熟練的駕駛人可以和自己行走一樣，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。

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陀螺儀和加速度計感應車體的旋轉，速度和傾斜，高速微處理器計算傳感器數據，并驅動輪轂電機完成前進/后退/差速轉彎的動作。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構零件和附件。

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，結構已提交專利申請，請勿用于商業用途。）

整機材料很簡單，兩個獨立驅動的輪子+電機驅動板+車身角度傳感器+轉彎傳感器+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

結構細節

電機安裝部分

電機為優耐特電機，250W，24v/質量不好，不作推薦。

電機法蘭部分剖視

轉向機部分：

整機背面

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。

車銑加工

電機法蘭安裝

整體安裝

電路部分

主控采用AVR的ATMEGA_32，電機驅動為H橋驅動方式，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

散熱器：

遙控和語音模塊

控制程序部分

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

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采集數據后計算出角度值即可，需要注意的是，采集后的數據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據。調速過程中可以用串口將數據輸出，輔助調試。

計算車輪速度

這里就是簡單的PID控制車輪轉速，如果不記得就百度看看。調試參數會花點時間，剛開始參數別調過大，否則抖動起來有危險！另外需要設置角度過大停機的功能。

獲取轉向數據

轉向數據為采集轉向電位器而來，采集后的數據進行濾波處理后再用。轉向中間設置一個無效的死區，也是防止誤動作。

遙控

遙控為最普通的4鍵遙控器，淘寶成品。

語音

語音選用成品語音模塊，廠家提供完整說明文檔。

溫度

硬件原先選用18b20，很是遺憾這部分程序沒調通，可能原因1：系統必須有多處中斷，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，因而沒調通。可能原因2：智商問題。

嘗試調試了近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。

其余部分可自由發揮。

視頻演示

無視頻無真相，怕熊上門所以拍了一小段視頻。

客廳實在太小，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！

附件1：零件工程圖

點擊下載完整工程圖（文件大小：6.15M）（本設計已提交專利申請，請勿用于商業用途。）

附件2：重點代碼

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;

}

//***************************** 濾波結束*********************************/

2.2 轉向數據處理代碼

/************轉向************/

void Steering_handle（void）

{

Buf= 0.9 *Buf + 0.1 * AD_Turn;

Turning= Buf -Turn_Zero; //

if（Turning 《- Turn_Dead） //死區

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 //按車速整定轉向數據

{

//buf2=Drivespeed;

//if （buf2《0）buf2*=-1;

//buf2/=3;

//Turning/=buf2;

Turning/=1;

}

Drive_A=Drivespeed-Turning;

Drive_B=Drivespeed+Turning;

}

}

//***************************** 轉向結束*********************************/

2.3遙控部分狀態機

/***********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++;

}

}