自制SEGWAY平衡滑板车玩耍吧！

　　 

　　为什么我要撰写此教程？

我把我的自动平衡滑板带到了 2010 年 3 月在英国纽卡斯特举行的 Maker Faire 展会上，男女老少都快挤爆我的摊位了，人人都想试一试，好奇的年轻人都想知道制作过程。 　　 　　
  至今为止我已经研究这玩意儿好几年了。 　　 　　
  我一开始做了一个独轮车，花了我三个月才让它能够平衡（而且非常糟糕），接着做了一个通过 Wii 的无线双截棍遥控器控制的更轻便的双轮车——这就是我现在这个机器。 　　 　　
  这玩意儿造价非常昂贵而且制作起来很不容易。 　　 　　
  我想尝试能将一开始的“廉价”想法实现到什么样的地步,而且直至现在我也一直在尝试。

　　 

　　 

我设想的是一种你可以在校园里用来骑行，不用的时候可以单手提起带入室内的玩意儿。 　　 　　因此它的轮子和电机必须不能过大，而且要轻得可以提起来！这就是为什么我将顶层设计成理想的平面，这样你就可以轻松地握住把手将它提在你的身边到处走了。 　　 这篇教程的方针是将所有的东西简化到最基础的部分，来看看我究竟能让这种技术的成本降到什么样的程度，并且略微将它美化一下，不至于像是工业原型那么吓人，同时还是要能够承受一个成人的负载。 　　 　
   我非常希望能有个 DIY 社区加入这个项目。 　　
   有哪个 DIYer 论坛想要加入吗？（果壳DIY伸出蠢蠢欲动的爪子……）

　　 所谓的“廉价”究竟能廉到多少？

这些东西显然不是几个硬币可以搞定的，即使一再强调“廉价”也可能会花费上千。 　　 　　
   本教程提到的材料如果买全新的话，大约将近 300 英镑，你还得另选电池为它提供电力。 　　 　
  　和许多电动小摩托一样，你可以一开始用铅酸电池，以后再花点银子换成更给力的电池。 　　 　　
   要是能看到有青少年也在鼓捣这玩意儿的话我就太欣慰了。这就是我之所以开发了这一廉价版本的原因——你不会在告诉你爸爸说要做这样一个“教育”项目时吓得他心脏病发作。 　　 　　
   我融入了 KISS——让事情傻瓜般简单（Keep It Simple Stupid）的设计理念！

　　做起来容易吗？

显然这不是一个初出茅庐的 DIYer 能够应付得了的，但在自动平衡载具项目的开展过程中，我发现它其实也难不到哪里去。 　　 　　这次我们还是要用到 Arduino 平台的微控制器。 　　 　　
   我在教程中将试着滴水不漏地地描述每一个步骤，因此，没错，你会看到很多照片，不过如果你是认真想要做一个东西出来的话这是很有帮助的。 　　 　　
   整个过程也不会用到焊接，硬件安装过程只需要螺钉螺栓和支架。 　　 　　
   我还在 Arduino 论坛上做了该项目的 笔记 ：

　　成本合计（全部以新品计）：

 　○ Sabertooth 牌 2x25 瓦电机控制器（一件） 97 英镑 　　○ Motors 牌 250 瓦24 伏适用于电动滑板的电机 （两件），在易趣上卖价参差不齐，不过一般约每件 35 英镑。 　　○ 每侧的链条：9 英镑就足够买一根够两侧用的链条了。 　　○ Arduino 平台（一件）：20 英镑 　　○ IMU（一件）：52 英镑（据说有人找到了更便宜的）。 　　○ Razor 牌 E100 后轮组件（两件）：在网上电动小摩托商店备件部上每件卖 24.99 英镑。 　　 　　含消费税总计 273 英镑，我认为这个价位对于自动平衡载具而言相当不错了。 　　 　　 　　 　　
   买了电池以后就会超出我 300 英镑的预期，不过不会超出太多。和一般的 4 轮（在一个后轮上装有一个电机的那种）电动滑板相比也颇具性价比。 　　英镑目前汇率不高，1 英镑相当于 1.5 美元左右。 　　 　　
   Sparkfun 牌和 Razor 牌的小电机都是美国产的，也就是说也许你在美国买会更便宜些。 　　 　　
   就我所知，Segway 在美国（至少是一些州）的人行道上是可以合法行驶的，也许你可以在专门的 segway 通道上自由行驶。 　　 　　削减成本：如果你想要在电机控制器上省些银子的话，可以参考某人成功地利用一台 2 X 10 瓦的 Sabertooth 牌电机制作了一台山寨 Segway。 　　那台山寨 Segway 在水平地面上似乎还跑得挺给力的。

　　产权：

有人发信息询问相关产权的问题。 　　 　　我想说的是，如果哪个企业想要从我这里了解更多信息的话，请便。 　　 　　这只是我的兴趣罢了，哥也是有正经工作的人。 　　 　　不过我曾经开过些小公司。但在这个问题上我持开放态度。 　　 　　这个项目的教育价值远比商业价值重要——至少我是这么认为的！ 　　 　　 　　 　　另外，如果你对于独轮类型感兴趣，可以了解一下“enicycle”独轮车，它真的创意十足，特别注意它惊人的转向结构。

　　 

这就是来自德国的 ewee（出现于2010 年 8 月） 　　 　　
   属于德国的轻量级山寨 Segway 售价约 1200 美元。看上去就像几块被螺栓连接起来的金属板。 　　 　　
   有人批评它外观丑陋，不过让所有的金属板都能由计算机控制切割成形并让整个结构平滑安装是一种非常聪明的节约成本的手段。 　　 它采用和最小的那种 e-小摩托类似的小轮胎和带传动。 　　 　　
   接下来我要在 另一教程 中展示的滑板车改造成“ewee”的风格。

　　调试：

有人的觉得很简单，有的人觉得很难。 　　 　　
   我会写一些 Arduino 平台代码的调试方案。 　　 　
   我写了一段代码，让你能够在电脑上的 Arduino Serial 窗口中读取加速器、陀螺仪以及总增益的值。它让你能够在连接电机之前测试平衡部件。 　　 　　程序每秒只循环一次，而不是 100 次，所以它会以慢动作显示出来！ 　　 　　
   我还会写更多的调试方案的。

　　想要代码的请 果断点击此处 （为DBank网盘链接）

这里是 视频教程 ：对那些有兴趣尝试用 Wii 来替代的朋友们，在 Arduino论坛 上有人在这一组合方案上做出了相当大的进展： 有人问我如何给一台小型自动平衡机器人安装小型的电机控制器,这里发表了一篇有关小型 Arduino平台驱动的 电机控制器的教程 ： 该作者绝对是平衡车达人，这里是他的网站，来 围观 一下大神级别的牛人是怎么玩转平衡车的吧！ 　　 　　双向电梯 1   工具和材料2   照搬小摩托轮胎3   近看小摩托轮胎4   拆装轮胎5   重新组装轮胎6   架构7   轴支撑8   轴装配试验9   装配轴实战10   调整轴11   装配轮胎12   电机13   比较布置方案14   置于板上的电机是个什么状态呢？15   链条16   装配链条17   链条松紧度18   电子器件19   Arduino 电路板20   连接 Arduino 电路21   Arduino 电路的电源22   陀螺仪定位23   电机控制器24   Sabertooth电机控制器的设定25   连接电池26   连接手柄27   手柄28   组装手柄29   将手柄输入端与 Arduino 电路相连30   输入31   测试32   紧急电源切断开关33   开工34   在滑板上重制35   滑板露底照36   DIYer签到处

1   工具和材料

  2 照搬小摩托轮胎

  3 近看小摩托轮胎

  4   拆装轮胎

  5   重新组装轮胎

  6   架构

   7   轴支撑

  ● 用于支撑轴的支架也万万不可马虎，你应该使用大型五金商店里卖的那种角钢支架。

   8   轴装配试验

   9   装配轴实战

  ● 轴必须和该位置的一个大垫圈相配合，否则螺纹长度就不足以让轴端螺母将所有的零件和通过轴的长、短管密实地结合起来了。 　● 提示：先把轴像这样用螺栓固定好，然后再把所有东西锁紧。 　　 　　● 然后，而且只有在这之后，你才能标记下 L 行支架在轮胎下面的重合区域，之后我们会用螺栓在这个区域将它们和平板连接。 　　 　　● 将它们夹住，然后穿过这两层钻几个孔，这些孔以后会在与木板连接时用到。我在钻孔时还用螺栓（从下方）把轴固定在相应位置。要当心别钻得太给力突然把两层 给钻穿，伤到轮胎!我把底板的孔的位置定好了，让钻头尖端不会在钻孔时伤到轮胎！把孔小心翼翼地统统钻好，然后就可以安心地将它们都用螺栓连接起来了！

  10   调整轴

   ● 如果某块角钢高于另一块的话，要记得在钻孔时将这个差值考虑在内！（红笔标出容差范围） 　　 　　● 正如你在图中看到的那样，最后我钻的孔偏向了一边，所以进行矫正是必须的。

   11   装配轮胎

  ● 这一步我们要把轮胎装上，并用螺栓将其和板子相连。 　　 　　● 请注意，如果你希望轴距尽可能地小，就像自动平衡的滑板那样，那么你可以将轴的内侧轴端修剪掉一些，就像我这里所做的一样。

  12   电机

　　这两个都是 250 瓦 24 伏，预装 11 齿链条齿轮的电机，它们的齿轮齿距和轮胎的链条齿轮是相互匹配的。

   13   比较布置方案

   14   置于板上的电机是个什么状态呢？

   15   链条

  16   装配链条

   17   链条松紧度

   ● 在电机内侧的两个螺孔之间插入一个垫圈。这样可以略微抬高电机，从而略微拉紧链条。 　　 　　● 在做这玩意儿的时候手术钳很好用——还可以用来夹持焊接用线。

   18   电子器件

　　这是他们生产的产品中适合本例的最便宜的一款——不过市场行情经常会发生变化。

　　我们只需要用到其中的一根轴。

　　其中一个将用来和加速度计配合（通过一个“结合”过滤器）来保持整体的平衡。

　　另一个将用来让整个机构避免突发的方向变化（例如一边的轮子撞上了石头），这样它就不会团团转了。

　　这可能比另一种解决方案——依据轮速编程——更容易，也更可靠。

　　我在进行此类焊接工作时还喜欢选用蓝色贴墙胶，因为它能将线路准确地保持在正确的位置，并能稳稳地固定电路板。

　　你必须自行研究如何利用这款 IMU，也许还需要修改程序代码，不过它看上去还是挺适合本例的。

　　单是我独轮车上的单轴陀螺仪大约就要价 100 英镑（150 美元）了。

  19   Arduino 电路板

   20   连接 Arduino 电路

　　从最左边到最右边的引脚之间的阻抗应该为 10K 欧姆。

　　也就是说中间那个引脚相当于由控制旋钮移动的那个活动的触点。

● 将最右边的引脚连上 Arduino 电路板上 +5V 电源引脚（用于给此类设备供电）。 　　 　　● 将最左边的引脚连上一个接地引脚（标示有 Gnd）。 　　 　　● 在这两根接线中都串联一个约 150 欧姆的电阻器，这都是为了避免现在这样将触点放在 5V 全压输出导致 5V 电压直接不受限制地冲击模拟输入引脚。

　　这并不是非做不可的工序，不过为了安全起见我加上了这一步骤。

● 如果你在触点（中间的引脚）和地线之间连上一个电压表的话，它现在就能够在移动的过程中输出从 0 至 5V（大约）的电压了——你应该测试一下，确保它工作正常。 　　 　　● 然后把从中央的引脚引出的接线连上代表“总增益”的模拟输入端口（也就是1号模拟输入引脚）。 　　 　　● 当你搞定这一步之后，你可以之后在 Arduino 程序代码中定下一个总增益值，这样就再也用不到分压计了。

　　不过，在机器运转时测试程序中的其他变量也是很有用的。

● 请注意：在最新版本的代码中（只要用你常用的邮箱给我发信息，我就会发给你最新版本的代码，因为代码一直在更新变化）你会发现我利用一个式子来对分压计值进行采样，再将它平滑修改为移动的平均值。

　　这么做是有原因的。

　　如果你在程序每循环一次都测试一次分压计的值，并对它取样，可以找到在分压计所在模拟接口线路上的叠波中偏离较大的电压峰位，这一（过量）值将在其余式子中被放大。

　　换句话说，任何由电机等产生的叠波的电压峰值都会通过这些式子被放大，造成电机的异常振动。

　　像分压计之类的任何输入设备都应该像我所示的那样经过调整，否则你就要保证电路的响应速度够快（像陀螺仪和加速度计的信息输入）。

　　我在这一点上受过非常深刻的教训，在我早期的试验中各种各样的偏离波形被放大，那真是太杯具了（其中有一次我在平衡算法中用 4 个分压计分别控制4个变量，就埋下了悲剧的种子）。

   21   Arduino 电路的电源

   22   陀螺仪定位

 　● 有时你会搞迷糊，不知道哪个陀螺仪在做什么、在哪一根轴上旋转。 　　 　　● 我们之所以用到加速度计，是因为它可以提供准确的数据，确定哪里是垂直方向（重力方向）。

　　不过它对于振动非常敏感，而我们恰恰缺少平滑的地板，常常在不平的地方行驶。

● 陀螺仪可以提供旋转角度（例如机器的倾斜角度）的实时数据，它对振动并不敏感，但是，随着时间的流逝它会产生漂移。 　　 　　● 如果你像我在照片中那样把 IMU 的线都接好了，那么就能参考右边的图表了。 　　 　　● IMU 很有意思，因为每个陀螺仪都有两个电压不同的输出引脚。

　　其中一个相对而言不那么敏感，但是只适用于旋转速度高于每秒 500 度的情况。

　　另一个更敏感一些，但可以工作在每秒 110 度以下的情况下。

　　因此我所写的 Arduino 电路的软件代码会在高速旋转时读取低敏感度的陀螺仪，而在低速旋转时读取敏感度更高的那个。

● “附加滤波器”法利用了它们各自的长处：用陀螺仪测量短时间内倾斜角的变化、用一段时间内加速度计的读数平均值来得到向上方向的稳定值。这个值可以在后面校准陀螺仪的漂移。 　　 　　● 如果你在网上查阅相关资料，会发现这种方法叫作 PID 整定。

　　还有一种叫做卡尔曼滤波器的方法，这是种更加复杂的数学方法。

　　但是有位工程师告诉我说只有当你知道控制输入信号是什么样的，这种方法才值得推荐。

　　而在本例中我们的“滑板”只是笨拙地想要保持平衡罢了，它并不知道我是不是偏移了重心，更不知道我的关节是否灵活什么的。

　　于是他告诉我附加滤波器这一技术在实际情况下更适合采用。

● 我并非工程师，因此我敢说一定会有哪位网友对这一方面做一番扩充，要是我有说错的地方也一定会指正。 　　 　　● 不管怎么样，只要附加滤波器能正常工作就行了。

　　不管是多么专业的模型玩家到了最后似乎也都必须手动对它们的设备进行微调（ 在我的网站上有不少其他类 Segway 项目的链接 ）。

   23   电机控制器

　　每一台电机都必须能够正反转，并能够频繁地快速、不出差错地切换方向。

　　瓦 = 安 x 伏，而我电机的电压为 24 伏，这样算下来电流就是 10.4 安。

　　无论如何这都不会超出 Sabertooth 的电流限幅。

　　Sabertooth 的网站上有许多与此相关的可供下载的信息。

   24   Sabertooth电机控制器的设定

● Sabertooth 电机控制器可以通过一系列 DIP 开关（双列直插式封装开关）设置去配置不同的数据流和电源。 　　 　　● 你需要如图所示进行设置，让它能够工作在简化串行模式、9600 波特率和铅酸电池的条件下。 　　 　　这些也都可以从他们的网站上下载。

   25   连接电池

● 我用两节一般的 7 安时铅酸电池串联起来提供 24 伏的输出。

　　主电源开关在当中直接将它们连接起来，从而也可以直接断开。

● 然后再一次确认连入 Sabertooth 的电流方向是正确的。

   26   连接手柄

   27   手柄

   ● 如图所示是小塑料盒中的手柄的内部。 　　 　　● 我用两根扎带将电缆末端固定住，这样就无法轻易地将它从盒子上扯下来了。 　　 　　● 这样做既便宜又简单。 　　 　　● 紧急停止按钮位于末端。

   28   组装手柄

● 组装完成的手柄的照片。

   29   将手柄输入端与 Arduino 电路相连

   ● Arduino 模拟输入端除了一个用作平衡之外都已经被占用了。 　　 　　● 所有的手柄的输入端都要接入 Arduino 电路板另一边的数字输入引脚上。

　　我再一次用到了简单的扎带将电缆固定在板上，这样线路就不会在与 Arduino 输入引脚焊接的地方受到挤压了。

● 我所用的电缆是含有 6 根或以上电线的屏蔽电缆。 　　 　　●你也会看到我用 10K 的分压计来控制总增益。

　　这让你可以在操纵时简单地做一些调整，让这台机器变得“疲软”或者“给力”。

●好好玩儿吧！

   30   输入

   31   测试

   32   紧急电源切断开关

  ● 最后一道工序。

　　在最近一次 Maker Faire 展会上我把我的独轮车放在桌上，自个儿到处看热闹去了。

　　当我回来的时候发现有个小孩在桌子的一头玩耍，而他爸爸正在鼓捣独轮车上的开关，他试着按遍手柄上所有的按钮想让它跑起来——当时独轮车倾向一边。

　　他运气不错，电池当时不给力，独轮车没能跑起来。

　　要是他启动了独轮车，那么这个重量级金属巨兽就会由于自己倾斜过度而以 500 瓦的电机马力冲向那个小孩儿了。

　　毫无疑问我会因此受到责问。

● 如果你计划将你制作的玩意儿带到类似展会之类的任何公开场合，并且将它放着供他人摆弄一段时间的话，我建议你装上一些中断设备之类的东西，例如一个点火开 关或者也许可以采用大电流继电器（从汽车配件商店购买），要么采用这种最简单的拉力车的紧急电池切断开关，它带有一把钥匙，你可以把钥匙带在身上。

　　它能够轻易驾驭大电流，增加的配重也不多。

   33   开工

　　这个版本的自动平衡滑板和我上一代双轮自动平衡滑板用的是同一种电机和电机控制器，因此应该运行效果也是相同的。

　　买了电池以后就会超出我 300 英镑的预期，不过不会超出太多。

　　和一般的 4 轮（在一个后轮上装有一个电机的那种）电动滑板相比也颇具性价比。

   34   在滑板上重制

   ● 在首次发表这篇教程以后我又将所有教程中用到的组件装到了一块用船舶用夹合板加固过的滑板上。 　　 　　● 于是我有机会尝试玩儿滑板了。 　　 　　● 为了完成它，我略微修改了程序代码，改进（加强）了行驶状态，还用第二个陀螺仪来改进转向性能。 　　 　　● 在转向时陀螺仪会调整电机的出力，让转向速率保持恒定。

　　目前这个速度设得较低，为每秒 5 度，不过你可以在代码里自行修改。

　　已经有读者反馈说成功修改了。

● 如果你有兴趣再加一个步骤的话，还可以利用分压计来改变所需的转向速率。

   35   滑板露底照

   ● 这就是滑板底部的模样。 　　 　　● 把加速度计/陀螺仪尽可能地放在板的中央。 　　 　　● 另外，如果你像我那样用蓝色贴墙胶作临时调整的话，要确保它能够牢牢地固定住零件。

　　如果它会松脱晃动的话，滑板就会振动，而你根本无法查出故障原因！

● 这块滑板已经是我能找到的最大的了。

　　另外，当你站在上面的时候，它的两端会有轻微的弯曲。

　　这会让链条变松的！

　　因此你需要用木料或者金属将它撑向中央，或者在板顶边缘进行加固。

　　只要从中心线延伸到电机所在的位置就行了。

　　这幅图片很好得表达了上个世纪初（1900）年的人类们对于未来（二十世纪）的美好预期：没有人需要步行。取而代之的是可谓标配的私人小轮车，绝对是一个让人心向往之的愿景，虽然人们在着装上依然是那么复古~

祝你成功！