Сигвей своими руками. Сигвей своими руками Как сделать сигвей своими руками

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

Датчик наклона установлен горизонтально вдоль оси х, а 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 ), 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!

Сейчас всё более популярным делается небольшая самодвижущаяся платформа с двумя колёсами, так называемый Сигвей, который изобрёл Дин Камен. Замечая трудности, с которыми сталкивается человек в коляске при восхождении на тротуар, он увидел возможность создать транспортное средство, которое может помочь людям передвигаться без особых усилий. Камен применил на практике свою идею о создании самобалансирующейся платформы. Первая модель была испытана в 2001 году и это было средство передвижения с кнопками на ручке. Она была разработана для людей с ограниченными возможностями и позволяла им самостоятельно передвигаться даже по пересеченной местности. Новая модель стала известна как “Сигвей РТ”, и уже позволяла рулить, наклоняя влево или вправо рычаг. В 2004 году она начала продаваться в Европе и Азии. Цена самых продвинутых современных моделей, например Segway PTi2 - около 5000 долларов. В последнее время китайские и японские компании создают устройства с различными модификациями и новаторской конструкцией. Некоторые даже делают подобные транспортные средства только с одним колесом, но давайте рассмотрим классический Сигвей.

Segway состоит из платформы и двух колес, размещенных поперечно с приводом от двух электромоторов. Сама система стабилизируется сложной электронной схемой, которая управляет двигателями, принимая во внимание не только наклоны водителя, но и состояние транспортного средства, что позволяет ему всегда оставаться в вертикальном стабильном положении. Водитель, стоя на платформе, контролирует скорость просто перемещая ручку вперед или назад, при наклоне вправо или влево - поворот. Плата управления отслеживает сигналы соответствующих датчиков движения и ориентирования (похожие на те, которые позволяют смартфонам менять ориентацию экрана), чтобы помочь бортовому микропроцессору точно ориентировать платформу. Главный секрет segway не столько в электро-механической части, сколько в коде, который учитывает физику движения со значительной математической точностью обработки данных и предсказания поведения.

Сигвей оснащен двумя бесщеточными электромоторами, сделанных с применением сплава неодим-железо-бора, способными развивать мощность до 2 кВт, благодаря литий-полимерному аккумулятору.

Детали для Сигвея

Для создания Сигвея нужно два мотора-редуктора с колесами, аккумулятор, электронная схема, платформа и руль.

Мощность двигателя недорогих моделей примерно 250W, что обеспечивает скорость до 15 км/ч, с относительно низким потреблением тока. Напрямую крутить колеса не могут, потому что высокое число оборотов этих моторов не позволяют получить нужную тягу. Аналогично тому, что происходит, когда вы используете передач вашего велосипеда: за счет увеличения передаточного отношения потеряется скорость, но увеличится усилие, прикладываемое к педали.

Платформа расположена ниже оси моторов. Батарея, вес которой достаточно высок, также находятся под подножкой в симметричном положении, что гарантирует даже без водителя на борту Сигвей остается в вертикальном положении. Кроме того, внутренняя механическая стабильность поможет узлу электронной стабилизации, которая полностью активна, когда водитель присутствует. Присутствие человека на платформе поднимает центр тяжести выше оси колеса, что делает систему нестабильной - это уже будет компенсировать плате электроники.

В принципе, такую вещь можно сделать и самому, купив нужный блок электроники на китайском сайте (они есть в продаже). Монтаж всех частей осуществляется винтами и гайками (не шурупы). Особое внимание должно быть уделено надлежащему натяжению цепи. Крепление батарей осуществляется через U-образные хомуты с небольшими резиновыми прокладками, чтобы обеспечить нужное давление. Рекомендуется добавлять двухсторонний скотч между батареей и платформой, так чтоб не было проскальзывания. Контрольная панель должна быть вставлена между двумя батареями и крепится специальными распорками.

Рычаг управления может быть, а может и нет - ведь сейчас популярны модели сигвеев и без него (минисигвей). В общем вещь интересная и не очень дорогая, так как по информации от знакомых - закупочная оптовая цена в Китае всего 100 долларов.

Что нам понадобится? Для начала – колеса, возьмем от тренажера для пресса. Редуктор на 12 вольт и на 160 оборотов в минуту. Powerbank на 15000 миллиампер часов. Чтобы можно было управлять транспортным средством, то есть поворачивать направо или налево, ускоряться и замедляться, будем использовать модули, которые уже использовали при изготовления самодельной газонокосилки. Так можно будет регулировать обороты двигателя. Соответственно, 2 модуля, 2 двигателя, 2 повербанка.

Два комплекта работают по отдельности. Положим, добавляем оборотов правому двигателю, сигвей будет поворачивать налево. Тоже самое, но зеркально, при повороте направо. Если добавить оборотов одновременно двум моторам, средство будет ускоряться.

Сначала установим редукторы. Для этого прикладываем по центру на фанерном листе, обводим контур и фрезой делаем углубление. Точно так же, как был прикреплен редуктор с левой стороны, делаем с противоположной.

Нужно вырезать несколько таких брусков и прикрутить по бокам. Это нужно, чтобы фанера не провисала.
Снимаем колеса и ставим на ось. Как вы может видеть, они отличаются друг от друга. Нужно изготовить предварительно две деревянные втулки. Будем использовать самодельный токарный станок по дереву. Получились две деревянные заготовки.

Вставляем заготовку. Сверлим отверстие и приклеиваем заготовку эпоксидной смолой. (Автор в конце ролика сделал поправку, читайте ниже).

Теперь будем изготавливать руль. Для этого будем использовать кусок канализационной трубы. От тренажера мы взяли рукоять. В верхней части фанеры проделаем отверстия, закрепим трубу и рукоять. У сегвея руль должен быть слегка под уклоном, поэтому проделали в фанере отверстие под уклоном и подрезали пластиковую трубу.

Все модули управления будут установлены на руле. Нужно протянуть 8 кусков проводов от руля к редукторам. Чтобы сверху они не торчали, предварительно делаем сквозное отверстие в трубе и просовываем провода.

И теперь снова нужно все проклеить эпоксидной смолой и подождать 24 часа. Колеса как оказалось, деформировались, эпоксидка оказалась не очень надежным материалом. Разобрал редукторы, снял валы и на них нарезал резьбу. Также просверлил отверстия в деревянных втулках. Вставил металлические втулки и теперь это все выглядит намного надежнее. Колеса также можно будет вкручивать очень крепко. Пластиковая труба показалась не совсем надежной, внутрь нее вставлен для укрепления черенок от лопаты.

Ставим 2 модуля в панель. Нужно просверлить дырки в трубе под резисторы. Остается приклеить кнопки с помощью термоклея. Провести провода к модулю, редукторам, Power банкам. Прикрутить колеса.

Для тех, кто опасается неправильно подключить провода, на модулях все детально расписано.

Сигвей будет также иметь спидометр для велосипеда. Тестовый вариант самодельного сигвея готов. Давайте его протестируем.

Неужели такое сложное устройство, как сигвей, можно сделать самому? Оказывается, можно. Если приложить достаточно усердия и воспользоваться специальными знаниями. Что и сделал молодой инженер по имени Petter Forsberg, окончивший шведский технологический университет Чалмерса по специальности "Автоматизация и мехатроника".

Кроме знаний и умений, ему еще должны были понадобится немалые деньги, скажете вы. Да, деньги понадобились, но не много, около 300 евро, чтобы приобрести определенный набор деталей и оборудования. Результат его стараний - на этом видео:

Механика

Двигатели, колеса, цепи, шестерни и аккумуляторы были взяты от двух недорогих китайских электроскутеров. Двигатели позволяют обеспечить 24Вольт, 300Вт, 2750 оборотов в минуту.

Передача осуществляется от малой шестерни на моторе к большой шестерне на руле. Соотношение составляет примерно 6:1, такое высокое соотношение предпочтительнее, чтобы получить лучший крутящий момент и пониженную максимальную скорость. Передача на 12-дюймовом колесе была основана на механизме свободного хода, поэтому пришлось внести необходимые изменения, чтобы можно было водить колесо в обоих направлениях.

Основа платформы - неподвижная ось, на которой должны вращаться оба колеса. Ось крепится тремя алюминиевыми блоками, которые фиксируются с помощью 5мм установочных винтов.

Чтобы иметь возможность поворачивать при управлении сегвеем с помощью наклона рулевой колонки влево и вправо был выполнен чертеж необходимой детали в программе SolidWorks, после чего она была изготовлена на станке с ЧПУ. Программа для станка была написана с применением CAMBAM. Этот же метод был использован для производства коробки для электроники и сборки блока экстренного торможения.

Руль будущего сегвея представляет из себя обычный велосипедный руль, трубка которого присоединена к 25 мм стальной полой трубе. Чтобы сохранять положение рулевой колонки по центру и создать некоторое усилие для обратной связи были задействованы две стальные пружины. На руле также предусмотрена аварийная кнопка, которая подключена к стандартному реле от автомобиля и может снизить мощность двигателя.

Для питания используются два свинцовых аккумулятора 12V 12Ah, которые применяются для моторов на 24V.

Электроника

Все печатные платы были изготовлены специально для этой разработки. Главная плата берет на себя вычисления, собирает данные от датчиков, таких как гироскоп (ADXRS614), акселерометр (ADXL203) и подстроечный потенциометр, на основании чего способна определить в каком направлении вы хотите повернуть.

Основной процессор AVR ATmega168. Соединение с ноутбуком производится по Bluetooth с использованием RN-41. Два H-моста преобразуют сигналы управления от основной платы на усилие для двигателей. Каждый H-мост имеет ATmega168, связь между платами осуществляется через UART. Вся электроника работает на отдельной батарее (LiPo 7.4V 900mAh).

Чтобы иметь простой доступ к зарядке аккумуляторов, для программирования основной платы, изменения параметров контура управления была сделана небольшая коробка с необходимыми разъемами, переключателем питания электроники и подстроечного потенциометра на верхней стороне.

Программное обеспечение

Программное обеспечение микроконтроллера в основном состоит из фильтра для гироскопа и акселерометра и цикла PD управления. Для теста были взяты два фильтра: Kalman и Complemenatry. Оказалось, что производительность их была очень похожа, но для Complemenatry фильтра требуется меньше вычислений, поэтому именно он был выбран для использования. Также были написаны приложения на Java, чтобы можно было видеть все значения датчиков и сигналов управления, состояния батареи и т.д.

Техническая сторона создания сегвея своими руками на этом видео:

Гироскутер внутри

Основные детали

Из чего состоит гироскутер? Если взглянуть со стороны, то гироскутер представляет из себя интересное устройство. Первое - это рабочая платформа или доска. Именно на нее встает человек и, пытаясь держать баланс, управляет, ездит или падает. По бокам от платформы есть два колеса, именно они и дают нам возможность ездить и двигаться вперед или назад.

Сначала разберемся с платформой. Рабочая платформа разделена на две части, на правую и левую часть. Как раз для правой и левой ноги. Сделано это для того, чтобы была возможность поворачивать вправо или влево, как раз за счет нажатия носком на эти платформы.

Как устроен гироскутер?

Мини-сигвей устройство

Колеса

По бокам идут два колеса. Обычно гироскутеры бывают 4-ех видов, и различаются они по классу и размеру колес. Первый класс гироскутеров является детский гироскутер с колесами в диаметре 4.5 дюймов. Маленький размер колес делает гироскутер очень неудобным и не проходимым в некоторых участках дороги.

Следующий класс - это гироскутер 6.5 дюймов. Он имеет уже больший диаметр колес, но все также предназначен только для езды по ровным поверхностям. Гироскутер 8 дюймов, является золотой серединой среди всех гиробордов. Он имеет оптимальный размер колес, который может проехать практически по любым дорогам.

И самый большой является внедорожник всех мини-сигвеев - гироскутер 10 дюймов . Это модель, у которой есть интересная особенность, помимо больших колес, эти колеса имеют камерную систему. То есть колеса надувные, они имеют более плавный ход, и такие гироскутеры более износостойкие чем прототипы поменьше.

Корпус

Корпус у всех гироскутеров сделан из разных материалов, но с одной и той же особенностью. Везде корпус закрывает колеса, защищая от брызг, грязи, воды, снега и пыли. Гироскутеры с маленькими колесами 4.5 и 6, обычно делают из обычного пластика. Так как эти модели предназначены для езды по ровной дороге, и развивают не такую высокую скорость, то инженеры решили не ставить дорогой пластик и не увеличивать тем самым цену на гироскутер.

У гироскутера с 8-ми дюймовыми колесами , корпуса делают из различных материалов, как из простого пластика, так и из карбона, ударопрочного магниевого пластика. Такой пластик, способен выдержать практически любое физическое воздействие и удары. Карбон к примеру еще и легкий материал, тем самым он снижает нагрузку на электродвигатели и уменьшает скорость разрядки батареи.

Двигатели

После того как вы снимите крышку, по бокам ближе к колесу вы должны увидеть электродвигатель. Электродвигатели бывают разной мощности. Среднее значение среди всех мини-сигвеев является показатель 700 Ватт на оба колеса. Или по 350 Ватт на одно колесо. Дело в том, что электродвигатели у гироскутеров работают независимо друг от друга. Одно колесо может ехать с одной скоростью, а второе с другой, или они могут двигаться в разные стороны, одно назад, другое вперед. Таким образом эта система придает гироскутеру управляемости.

Он становится более чувствительным к поворотам на большой скорости. Также вы можете разворачиваться на места на 360 градусов. Чем выше мощность у двигателя, тем выше переносимый груз и тем выше скорость, но не всегда. Надо понимать, что чем выше масса нагрузки на платформу, тем ниже скорость и быстрее разряжается батарея. Поэтому гироскутеры с мощными двигателями стоят дороже.

Система балансировки

Система балансировки состоит и включает в себя довольно много компонентов. В первую очередь, это два гироскопических датчика, которые расположены в правой и левой части платформы. Если снять крышку корпуса, то можно увидеть две вспомогательные платы, именно к ним и подсоединены гироскопические датчики. Вспомогательные платы, помогают обрабатывать информацию и отправлять ее в процессор.

Дальше в правой части можно увидеть основную плату, именно там стоит 32-ух битный процессор и осуществляется все управление и вычисление. Там же и стоит программа, которая реагирует на любое изменение платформы справа или слева.

Если платформа наклоняется вперед, то процессор, обработав информацию, посылает сигнал электродвигателям, которые физически удерживают доску в ровном положении. Но если платформа наклоняется сильнее с определенным давлением, колесо начинает сразу движение вперед или назад.

Нужно обязательно помнить, что во всех нынешних гироскутерах должны быть две вспомогательные платы для гироскопических датчиков и одна основная, где стоит процессор. В старых моделях может стоять и двухплатная система, но с осени 2015 года, в стандарт была внесено изменение и теперь все гироскутеры, мини-сигвеи делаются с 3-мя платами.

В китайских подделках или некачественных гироскутерах, может стоять одна плата, основная. К сожалению такой мини-сигвей имеет плохие характеристики в управлении. Может вибрировать или опрокидывать водителя. А в последствии вся система вообще может выйти из строя.

Схема внутреннего устройства управления гироскутером не такая сложная как кажется. Вся система сделана так, чтобы максимально быстро реагировать на любое поведение платформы. Расчет идет в доли секунды и с поразительной точностью.

Батарея

Система питания гироскутера осуществляется от двух или более аккумуляторов. В стандартных недорогих моделях обычно ставят аккумулятор с мощностью 4400 мА/ч. Аккумулятор отвечает за работу всей системы в целом и обеспечения ее электроэнергией, поэтому батарея должна быть качественная и фирменная. Обычно используют аккумуляторы двух брендов - это Samsung и LG.

Также аккумуляторы различаются по классу. Есть низкоуровневые батареи классов 1С, 2С. Такие аккумуляторы обычно ставят на гироскутеры с 4.5 и 6.5 дюймовыми колесами. Все по той же причине, потому что эти гироскутеры предназначены для ровных дорог, ровному асфальту, мрамору или полу.

Гироскутеры с 8-ми дюймовыми колесами, обычно ставят аккумуляторы среднего класса типа 3С, это уже более надежная модель батареи. Она не будет отключаться при резкой остановке или при наезде на бордюр или в яму.

У большеколесных 10-ти дюймовых моделях, обычно ставят аккумуляторы 5С класса. Этот гироскутер способен ездить практически по любым дорогам, земле, лужам, ямам. Поэтому батарея нужно более надежная.

Основной принцип устройства гироскутера обусловлен в удержании равновесии. При большом весе водителя гироскутеру нужно больше электроэнергии для осуществления маневров и движения.

Другое

Во многих гироскутерах также ставят Bluetooth систему и колонки. С помощью нее вы сможете слушать любимую музыку и кататься с друзьями. Но эта система еще дает возможность подсоединять свой смартфон к гироскутеру и следить за состоянием своего средства передвижения. Можно следить за средней скоростью, смотреть какой расстояние вы преодолели. Настроить максимальную допустимую скорость и много чего еще.

Еще на многих моделях стоит подсветка, она освещает вам путь в темноте, и так же может ярко мигать в такт с музыкой. Но нужно помнить, что музыка и подсветка сильно садят батарею. Многие вообще отключают подсветку, чтобы увеличить запас хода.

Вывод

Конструкция гироскутера сделана так, чтобы он был компактным и легким, но при этом быстрым, мощным и долговечным. Главное покупать гироскутер у проверенных поставщиков, у которых есть вся необходимая документация, чтобы не пришлось разбирать его после неудачного катания.