Как сделать сигвей. Гироскутер: устройство, из чего состоит, схема и конструкция мини-сигвея. Что такое гироскутер

Китайский сигвей – фото внешнего вида

До недавнего времени я вообще не знал, как называется “ну, такая каталка на двух колёсах, ехать стоя”. Недавно узнал, что этот электросамокат на двух колесах называется Сегвей или Сигвей , по-английски – Segway . Кто до сих пор не понял, о чем речь – фото слева.

Подробнее об этом замечательном двухколесном самокате можно узнать в википедии или на сайтах продавцов, я же опишу его коротко, и перейду к главному – устройству и ремонту сигвея. Будет много фото, а также подробное описание электрической схемы сигвея.

Это замечательное устройство позволяет человеку легко передвигаться на двух колёсах. При этом в систему управления сигвеем входит система балансировки, практически исключающая возможность падения.

Слово “практически” меня всегда настораживает. Так и в этот раз.

Но обо всём по порядку.

Поломка сигвея

Моя история началась как раз с того, что человек на сигвее упал. Ехал на приличной скорости, и – носом в асфальт!

Я начал разбираться, в чём дело. Оказалось, что при повороте ключа зажигания из этого ключа шли искры, и колеса при этом были заторможены. Ошибок на дисплее не было, но это только потому, что аппарат фактически не мог включиться – искрение в контактах замка привело к тому, что контакты покрылись нагаром, и ток от батареи не поступал на схему.

Странно, что контакты не пригорели и не слиплись намертво, впрочем, тогда бы выгорела проводка, т.к. при токе около 100 Ампер предусмотрено не было, а штатные предохранители остались целы.

Да, стоит сказать, что этот сигвей был дешевой подделкой, и куплен дней за десять до поломки. Всё было написано по китайски (насколько я разбираюсь в китайском), кроме “Warning!” Впрочем, о качестве сборки можно будет судить по фото.

Причина поломки – сгорели силовые транзисторы, через которые питались двигатели. Но об этом подробнее чуть позже.

Устройство сигвея. Разборка

Что мне конкретно понравилось – это колёса с солидными протекторами. То есть, предполагается, что этот самокат может использоваться в тяжелых условиях.

Однако, платы вообще не защищены от воздействия влаги, нет даже никакого лака. И вообще никаких резиновых прокладок от влаги не предусмотрено…

Руль прикручивается, его можно открутить при транспортировке:

Крепление руля. Вид спереди.

А вот вид сзади:

Предохранители и разъем зарядки

Видно два предохранителя по 50 А (схема сигвея будет чуть ниже), разъем заряда аккумулятора, над всем этим – “фары” в виде светодиодов на 12 В.

Верхняя панель. На ней – основные органы управления и индикации:

Верхняя панель сигвея

Вверху – дисплей, который показывает заряд батареи, ниже – предупреждения, которые необходимо внимательно прочитать, прежде чем становиться за руль. Если что непонятно – позвонить по телефону)

Три светодиода индицируют состояние сегвея: 1 – поворот влево, 2 – поворот вправо, 3 – горизонтальное положение (положение, в котором человек может становиться и начинать движение)

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Снимаем колёса.

Снято колесо

Сигвей со снятыми колесами

Снимаем переднюю панель.

Снимаем верхнюю крышку

Выглядит весьма непрезентабельно, но это только начало.

Передняя панель сзади. Провода откинуты. Замок снят.

К рулевой колонке рулю, который поворачивается только вправо и влево, приделан переменный резистор, распознающий наклон руля, и дающий сигнал контроллеру на поворот.

Переменный резистор наклона руля

Сопротивление – 10 кОм, линейная характеристика.

Так и хочется сказать – “потроха”

Как я уже говорил, качество сборки отвратительное. Хотя, по механике особых претензий нет.

Электронная начинка сигвея

Теперь подробнее рассмотрим электронику сигвея.

Вот фото подключения платы управления.

Устройство крупнее и подключение платы

Силовые транзисторы – IRF4110:

Силовые транзисторы платы управления

Именно парочка этих транзисторов и сгорела. При этом эта пара замкнула на себя питание аккумулятора, образовав КЗ.

Электронная схема сигвея – общий вид

Рассмотрим элементы схемы подробнее.

Электронная схема сигвея – общий вид – другой ракурс

Схема в общем не большая, разобьем её на несколько частей – приемник, контроллер, электронный гироскоп, драйвера транзисторов, силовые транзисторы, блок питания.

Микросхемки IC3, IC4 – это радиоканал, который позволяет управлять сигвеем с пульта. То есть, настраивать его, калибровать, блокировать, диагностировать.

Микросхема IC2 – контроллер ATMEGA 32A. Это сердце сигвея, точнее, мозг. Тут заложено самое главное – программа, алгоритм работы. Именно эта программа управляет вращением колёс и не дает человеку упасть.

Если контроллер – мозг, то гироскоп – это органы чувств. Гироскоп – это маленькая микросхемка INVENSENCE MPU6050. Это замечательное устройство представляет собой трехканальный измеритель положения в пространстве (наклон по трем осям) и трехканальный измеритель ускорения. Если кто помнит из физики, ускорение – это скорость изменения скорости. Честно, не понимаю, как в этот чип можно впихнуть такие измерители. Я до сих пор знал электромеханические гироскопы, а акселерометры знал только электронные. Теперь узнал, что бывают и такие, и используются очень широко, в основном в мобильной и автомобильной электронике.

На последнем фото также видно две микросхемы буферов CD4001 (это 2И-НЕ). Это для развязки контроллера и остальной схемы. Далее сигнал управления поступает на драйвера IR2184S, которые подают напряжения на затворы силовых полевиков, фото которых я давал выше.

Блок питания XL7015 – преобразователь DC-DC, из плавающего постоянного напряжения около 48В он путем преобразований на частоте несколько килогерц выдает стабильное постоянное напряжение 15В. Далее – обычная КРЕНка 7805 выдает 5 Вольт. Желтая топорная перемычка была, я тут ни при чём. А вот сгоревшая дорожка вверху справа – это путь питания 0В на управление, её пришлось восстанавливать.

Слаботочные элементы схемы сигвея соединяются через кросс-плату:

На эту плату приходят сигналы: от потенциометра руля, от кнопок наличия человека, к светодиодам панели управления. И уходят провода на главную плату.

Вот двигателя с редукторами, на оси которых непосредственно насаживаются колёса. Добротно сделано, только никаких опознавательных знаков:

Двигатель колеса с редуктором

Аккумулятор тоже не содержит никаких надписей:

Аккумулятор 48В

Входят два провода для зарядки (потоньше) и два выходных провода.

Видите искореженные места? Аккумулятор вообще никак не закреплен, болтается в сигвее, и бьётся об острые края ребер жесткости.

В общем, сделано на … короче, плохо сделано, и так или иначе скорая поломка сигвея была неизбежной.

Ещё примочка – преобразователь, также валялся на дне, замотан в плёнку. Поскольку светодиоды габаритных огней рассчитаны на напряжение 12 В, а аккумулятор – на 48 В, то используется преобразователь постоянного напряжения DC-DC 48-12 В:

Схема сибвея

Ремонт segway

Ремонт сибвея свелся к замене силовых транзисторов, их драйвера, и резисторов обвязки. Также восстановлена перегоревшая дорожка, замок с ключом заменен на обычные тумблеры, и в схему включен защитный автомат на 63 А. Надеюсь, в случае чего, он спасет схему от выгорания.

Только в этом случае опять пострадает и чей-то нос.

Так что прогноз пессимистичный, покупайте только качественные вещи, особенно, если речь идёт о безопасности! Теперь понятно, почему на всех фото ездок на сигвее с надетым шлемом…

Езда на Segway

Езда на подобном оригинальном внедорожном сигвее (в спокойном режиме) показана на видео:

Также в видео подробно рассказано про технические характеристики этого замечательного устройства.

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:

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.

Можно ли смастерить сигвей своими руками? Насколько это сложно, и какие детали для этого потребуются? Будет ли самодельный аппарат выполнять все те же функции, что и изготовленный на заводе? Куча похожих вопросов возникает в голове человека, решившего соорудить своими руками. Ответ на первый вопрос будет прост и ясен: сделать «электросамокат» самому под силу любому человеку, который хоть немного разбирается в электронике, физике и механике. Причем, работать устройство будет ничуть не хуже произведенного на заводском станке.

Как сделать сигвей своими руками?

Если внимательно присмотреться к гироскутеру, то можно разглядеть в нем довольно простое сооружение: это всего лишь самокат, оснащенный системой автоматической балансировки. По обеим сторонам от платформы расположены 2 колеса. Для осуществления эффективного балансирования конструкции сегвеев снабжены системой индикаторной стабилизации. Поступающие с датчиков наклона импульсы транспортируются на микропроцессоры, а те, в свою очередь, производят электрические сигналы. В итоге гироскутер движется в заданном направлении.

Для того чтобы сделать сегвей своими руками, потребуются следующие элементы:

2 колеса;
2 мотора;
руль;
алюминиевые блоки;
опорная стальная или алюминиевая труба;
2 свинцово-кислотные батареи;
плита из алюминия;
резисторы;
аварийный тормоз;
стальная ось 1,2 см;
печатная плата;
конденсаторы;
LiPo батарея;
Gate drivers;
индикаторы led;
3 х АTmtga168;
регулятор напряжения;
ADXRS614;
8 Mosfets;
два Springs;
и ADXL203.

Среди перечисленных наименований имеются как механические детали, так и электронные элементы, и прочее оборудование.

Порядок сборки сигвея

Собрать сигвей своими руками не так сложно, как кажется на первый взгляд. При наличии всех необходимых составляющих процесс занимает совсем немного времени.

Сбор механических деталей

Моторы, колеса, шестерни и аккумуляторы можно позаимствовать у китайских скутеров, а с поиском двигателя проблем вообще нет.
На большую шестерню, расположенную на руле, осуществляется передача с малой шестерни на двигателе.
Передача на колесе (12 дюймов) имеет свободный ход - это требует внесения некоторых изменений, необходимых для работы вращающихся элементов в обоих направлениях.
Неподвижная ось, прикрепленная тремя алюминиевыми блоками (их можно зафиксировать 5-мм установочными винтами), является основой платформы.
С помощью программы SolidWorks необходимо сделать чертеж детали, которая позволит гироскутеру поворачивать в стороны во время наклона туловища. После этого деталь нужно выточить на станке с ЧПУ. На станке использовалась программа CAMBAM, которая также применялась при изготовлении коробки для блока аварийного тормоза.
Руль прикрепляется к 2,5-см пустой трубе из стали.
Для того чтобы рулевая колонка всегда располагалась по центру, а также обратная тяга была более интенсивной, можно задействовать пару стальных пружин.
Руль оснащается специальной аварийной кнопкой, подключенной к реле - это позволяет снижать мощность мотора.
Источники питания моторов - аккумуляторные батареи на 24 В.

Сбор электронных деталей

Для того чтобы собрать сигвей своими руками, мало только скрепить механические детали. Электронное управление не менее важно в гироскутере, ведь это достаточно важная составляющая агрегата.

Печатная плата, имеющая вычислительную функцию, собирает сведения с датчиков - гироскопа, акселерометра, потенциометра, после чего задает направление поворота.
Без процессора АTmtga168 «самокат» не сможет нормально работать. Соединение с компьютером выполняется посредством Bluetooth и RN-41.
С помощью двух Н-мостов происходит преобразование импульсов управления с базовой платы на усилие моторов. Каждый мост оснащен АTmtga168, платы сообщаются между собой посредством UART.
Вся электроника приводится в действие благодаря отдельному аккумулятору.
Для того чтобы быстро добраться до батарей, а также запрограммировать базовую плату и изменить параметры контуров управления, нужно изготовить небольшую коробку с разъемами, сверху ее корпус оснастить подстроечным потенциометром, а также снабдить переключателем питания электроники.

Программное обеспечение сигвея

Как сделать сигвей своими руками, чтобы он наверняка работал? Верно - установить программное обеспечение (или ПО). Вот необходимые шаги для выполнения этой задачи:

ПО микроконтроллера имеет в составе фильтр для акселерометра и гироскопа и цикла PD-управления.
Фильтры Kalman и Complemenatry прекрасно справятся с задачей.
Написать приложения с помощью языка программирования Java - это позволит видеть степень заряда аккумулятора, все показания датчиков и параметры управления.

Вот, пожалуй, и все, что требуется от человека, который решил самостоятельно смастерить сигвей. Понимание тематики и процесса, а также необходимые компоненты позволят соорудить отличный гироскутер в домашних условиях.

В этой статье будет рассмотрено создание самобалансирующегося средства передвижения или просто «Сегвей». Практически все материалы для создания данного устройства легкодоступны.

Само устройство представляет из себя платформу на которой стоит водитель. Путем наклона туловища осуществляется управление двумя электрическими двигателями посредством цепи схем и микроконтроллеров, отвечающих за балансировку.

Материалы:

-Беспроводной модуль управления XBee.
-микроконтроллер Arduino
-аккумуляторы
-датчик InvenSense MPU-6050 на модуле “GY-521”,
-деревянные бруски
-кнопка
-два колеса
и прочее, указанное в статье и на фотографиях.

Шаг первый: Определение требуемых характеристик и проектирование системы.

При создании этого устройства автор старался, чтобы оно укладывалась в такие параметры как:
-проходимость и мощность, необходимая для свободного перемещения даже по гравию
-аккумуляторы достаточной емкостью, чтобы обеспечить как минимум один час беспрерывной работы устройства
-обеспечить возможность беспроводного управления, а так же фиксирование данных о работе устройства на SD-карту для выявления и устранения неисправностей.

Кроме того желательно, чтобы затраты на создание подобного устройства были меньше чем заказ оригинального внедорожного гироскутера.

Согласно приведенной ниже диаграмме, вы можете увидеть схему электрической цепи самобалансирующегося транспортного средства.

На следующем изображении показана система работы привода гироскутера.

Выбор микроконтроллера для управления системами Сегвея разнообразен, автор система Arduino наиболее предпочтительна из-за своих ценовых категорий. Подойдут такие контроллеры как Arduino Uno, Arduino Nano или можно взять ATmega 328 для использования в качестве отдельного чипа.

Чтобы запитать сдвоенную мостовую схему управления двигателей необходимо напряжение питания в 24 В, этого напряжения легко достигнуть путем последовательного подключения 12 В автомобильных аккумуляторов.

Система построена так, что питание на двигатели подается, только пока нажата кнопка старта, поэтому для быстрой остановки достаточно просто ее отпустить. При этом платформа Arduino должна поддерживать последовательную связь, как с мостовой схемой управления двигателей, так и с беспроводным модулем управления.

За счет датчика InvenSense MPU-6050 на модуле “GY-521”, обрабатывающего ускорение и несущего в себе функции гироскопа, измеряются параметры наклона. Датчик был расположен на двух отдельных платах расширения. По шине l2c поддерживается связь с микроконтроллером Arduino. Причем датчик наклона с адресом 0x68 был запрограммирован таким образом, чтобы выполнять опрос каждый 20 мс и обеспечивать прерывание микроконтроллера Arduino. Другой датчик имеет адрес 0x69 и он подтянут прямо к Arduino.

Когда пользователь встает на платформу скутера, срабатывает концевой выключатель нагрузки, который и активирует режим алгоритма для балансировки Сегвея.

Шаг второй: Создание корпуса гироскутера и установка основных элементов.

После определения основной концепции схемы работы гироскутера, автор приступил к непосредственной сборке его корпуса и установке основных деталей. В качестве основного материала послужили деревянные доски и бруски. Дерево мало весит, что положительно отразится на длительности заряда аккумуляторов, кроме того древесина легко обрабатывается и является изолятором. Из этих досок был сделан короб, в который будут устанавливаться аккумуляторы, двигатели и микросхемы. Таким образом, получилась U-образная деревянная деталь, на которую за счет болтов крепятся колеса и двигатели.

Передача мощности двигателей на колеса будет идти за счет зубчатой передачи. Во время укладки основных компонентов в корпус Сегвея очень важно проследить, чтобы вес распределялся равномерно при приведении Сегвея в рабочее вертикальное положение. Поэтому если не учесть распределение веса от тяжелых аккумуляторов, то работа балансировки устройства будет затруднена.

В данном случае автор расположил аккумуляторы сзади, так, что компенсировать вес двигателя, который находится в центре корпуса устройства. Электронные составляющие устройства были уложены в место между двигателем и аккумуляторами. Для последующего тестирования так же была прикреплена временная кнопка старта на ручке Сегвея.

Шаг третий: Электрическая схема.

Согласно приведенной схеме была осуществлена вся провода в корпусе Сегвея. Так же в соответствии с таблицей приведенной ниже были подключены все выводы микроконтроллера Arduino к мостовой схеме управления двигателем, а так же к датчикам балансировки.

На следующей схеме, показано установленный горизонтально датчик наклона, датчик управления же был установлен вертикально по оси У.

Шаг четвертый: Тестирование и настройка устройства.

После проведения предыдущих этапов, автор получил модель Сегвея для тестирования.

При проведении тестирования важно принять во внимание такие факторы как безопасность зоны тестирования, а так же защитная экипировка в виде защитных щитков и шлема для водителя.