倒立摆和机器人 - 电子DIY奇才自造超炫赛格威平衡车

　　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。