Сегвей своими руками

Creator для mozgochiny.ru

Привет всем мозгочинам! В моем новом мозгопроекте я буду создавать своими руками самобалансирующееся транспортное средство или "Сегвей". Для данного проекта нужны базовые знания в электронике и умение работать вручную. Все механические компоненты можно приобрести в сети Интернет или в местном магазине.

СЕГВЕЙ состоит из платформы, на которой стоят в вертикальном положении, и двух боковых электродвигателей, приводимых в действие с помощью аккумуляторов. Алгоритм контроллера управления обеспечивает устойчивое положение. Перемещение сегвея контролируется водителем путем наклона его туловища, и ручкой для выбора направления движения влево/вправо. Поэтому вам понадобятся дополнительные компоненты, такие как контроллер, привод двигателя и датчик ускорения/гироскоп. Механическая конструкция изготовлена из дерева, поскольку оно имеет легкий вес, электрически изолировано и легко поддается обработке. Теперь приступим к изготовлению сегвея!

Шаг 1: Основные характеристики проекта

В настоящем проекте требуется изготовить устройство со следующими характеристиками:

- Достаточная мощность и устойчивость для езды по улице, и даже по гравийной дорожке;
- 1 час непрерывной работы
- Общая стоимость до 500€ евро
- Возможность беспроводного управления
- Запись данных на SD-карту для выявления поломок

Шаг 2: Проектирование системы

На прилагаемой диаграмме показана электрическая схема сегвея и привода двигателя. В качестве микроконтроллера Arduino можно выбрать Uno, Nano или ATmega 328 как отдельный чип. Аккумуляторы подключены последовательно, чтобы получить напряжение 24 В, необходимое для питания сдвоенной мостовой схемы управления для двигателей. Питание подается, пока водитель удерживает нажатой кнопку «ready». Для аварийного останова отпустите данную кнопку. При этом снимается питание с двигателей. Arduino использует последовательную связь в «пакетном» режиме на скорости 38 400 бод с мостовой схемой управления и беспроводным модулем XBee. Параметры наклона и управления измеряются с помощью датчика ускорения/гироскопа InvenSense MPU-6050 на модуле “GY-521”, располагаемого на 2 отдельных платах расширения. Связь с микроконтроллером Arduino происходит по шине I2C. Датчик наклона (адрес 0x68) запрограммирован на выполнение опроса каждые 20 мс и обеспечивает прерывание микроконтроллера Arduino. Второй датчик (адрес 0x69) «подтянут» к Arduino. Концевой выключатель нагрузки определяет, когда водитель становится на платформу, чтобы активировать алгоритм балансировки СЕГВЕЯ.

Шаг 3: Конструкция каркаса

Колеса и двигатели с зубчатой передачей прикрепляются винтами на трех деревянных деталях, собранных в U-образной форме. Ручка представляет собой деревянную палку, удерживаемую болтом в передней деревянной детали. Важно, чтобы распределение веса СЕГВЕЯ происходило равномерно при вертикальном положении, которое является положением проезда. Поэтому необходимо учесть тяжелые компоненты, такие как аккумуляторы. В противном случае алгоритм балансировки может быть затруднительным.

В нашем случае аккумуляторы располагаются в задней части деревянной коробки для компенсации веса двигателя, располагаемого в центре. В промежутке между ними располагаются остальные электронные компоненты.
К ручке изолентой прикреплена нажимная кнопка готовности движения “rider ready”.

Шаг 4: Электрическая схема

Проводка в деревянной коробке расположена в соответствии со схемой. Подключите выводы микроконтроллера Arduino к датчикам, мостовой схеме управления и двигателям в соответствии с представленной таблицей.

Датчик наклона установлен горизонтально вдоль оси х, а датчик управления вертикально вдоль оси у.

Шаг 5: Тестирование и настройка

Примите во внимание, что двигатели должны иметь достаточную мощность. Проверьте устройство в широкой и безопасной зоне, чтобы избежать получения травм или повреждений. Рекомендуется надевать защитные щитки и шлем.

Выполните пошаговую процедуру. Начните с программирования микроконтроллера Arduino (загрузите исходный код), далее проверьте связь с датчиками и мостовой схемой управления.

Arduino Terminal может использоваться для отладки программного кода и проверки работоспособности. Например, нужно настроить усиление ПИД-регулятора, поскольку оно зависит от механических и электрических параметров двигателя.

Усиление настраивается по данной процедуре:
1. Параметр Kp предназначен для балансировки. Увеличивайте Kp, пока балансировка станет нестабильной, Ki и Kp остаются 0. Незначительно снизьте Kp для получения устойчивого состояния.
2. Параметр Ki предназначен для ускорения/снижения ускорения при наклоне. Увеличьте Ki для получения правильного ускорения, чтобы избежать падения при наклоне вперед, Kp остается 0. Теперь балансировка должна стать стабильной.
3. Параметр Kd используется для компенсации включения и возврата к устойчивому положению.

В программе Terminal, вы можете выполнять различные команды "?".
? – Помощь при выборе команд
p,i,d [целочисленное значение] - Установите/Получите усиление ПИД-регулятора, значение от 0 до 255
r [целочисленное значение] – принудительное увеличение скорости двигателя, значение от -127 до 127
v – версия программного обеспечения
С помощью команды "p" вы получаете доступ к параметру Kp. Команда "p 10" позволяет установить Kp до значения 10.

После подачи питания на Arduino выполняется инициализация датчиков и переход в состояние ожидания. При нажатии нажимной кнопки происходит передача управляющего сигнала в контроллер СЕГВЕЯ, находящегося в вертикальном положении, который готов для активации двигателей для перемещения вперед или назад в зависимости от первоначального положения. С этого момента кнопку нужно держать нажатой постоянно, в противном случае двигатели выключатся, и контроллер перейдет в состояние ожидания. После достижения вертикального положения, контроллер ожидает сигнал концевого выключателя нагрузки “Водитель на месте”, который обычно нажимают ногой, когда водитель находится на платформе. После этого запускается алгоритм балансировки и происходит активация двигателей вперед или назад для того, чтобы остаться в вертикальном положении. Наклон вперед создает поступательное движение вперед и наоборот. Нахождение в наклоненном положении приводит к ускорению движения. Наклон в противоположном направлении приводит к снижению скорости. Для перемещения влево и вправо используйте ручку.

Шаг 6: Демо

Смотрите ниже видео готового устройства и спасибо за внимание!

( Специально для МозгоЧинов #Self-Balancing-PT-homemade-Segway" target="_blank">)