本文将介绍如何利用Raspberry Pi自行制作一台两轮自平衡车(segway)。

硬件需求

Raspberry Pi + 外壳 + WiFi网卡。请自行先刻录并安装 Raspbian 操作系统来开机。WiFi网卡是edimax的, 安装方法不另赘述

DC motors + 轮胎 + 车架 + 压克力板 + 铜柱

L293D IC 马达驱动IC

MPU6050六轴传感器

机构组装

安装车体, 包括L架, 马达, 轮胎, 最后把压克力板还有铜柱都装上去。装完以后的样子如下图.

安装线路

开始插面包板

这里简单说明一下电路，MPU6050模块是使用I2C接口，有四根线需要接上Raspberry Pi 的 GPIO脚位，分别是：

Vcc –＞ RPi GPIO header pin＃1 （3．3V），

SDA–＞ RPi GPIO header pin＃3 （SDA）

SCL–＞ RPI GPIO header pin＃5 （SCL）

GND–＞ RPi GPIO header pin＃6 （GND）

关于马达的部分，我使用常见的L293D 驱动IC。

GPIO header pin＃11， pin＃13， pin＃15 控制左轮， 接到L293D的pin＃2，pin＃7， pin＃1

GPIOheader pin＃16， pin＃18， pin＃22 控制右轮， 接到L293D的pin＃15， pin＃10， pin＃9

L293D的pin＃3， pin＃6接左轮马达

L293D的pin＃14， pin＃11 接右轮马达

Vs 接 12V DC

Vss 接 5V DC

（Vs＆ Vss 这两只脚不要搞混）

还有就是 L293D 需要有够高的电压来源才能驱动马达，我的做法是买一个 12V DC 1A 变压器，再配一个转接头再接上面包板，这样才能供应 L293D 的 Vs （pin＃8）。

还要注意一点就是，请把车体前后的接线整理固定好，因为后面做平衡调校测试的时候一定会摔车好多次，前后的线路就是首当其冲， 最好都用束线带绑好。全部都固定完毕的样子

软件部份

这里我们要搞定I2C， 并且使用wiringPi函式库。它有基本GPIO功能又支持I2C 读取MPU6050数据，还有SoftPWM 功能可以控制DC motors转速，真是一举数得。

安装步骤如下

先安装i2c driver．

＄ sudo apt－get install libi2c－dev

设定下次开机要启动 i2c driver，

＄ sudo vi ／etc／modules

增加以下两行到里面， 储存．

i2c－bcm2708

i2c－dev

有一个blacklist档案要检查

＄ sudo vi ／etc／modprobe．d／raspi－blacklist．conf

确认里面没有以下两行， 如果有出现， 请在前面都加上＃符号 （也就是把他comment掉）， 储存．

＃blacklist spi－bcm2708

＃blacklist i2c－bcm2708

然后Pi要重新启动

＄ sudo bash； sync；sync；reboot

开机回来后， 要确认i2c driver kernel module 有正常启动

＄ lsmod ｜grep i2c

i2c＿dev                 6027  0

i2c＿bcm2708             4990  0

安装 git

＄sudo apt－get install git－core

下载并安装 wiringPi

＄ cd

＄git clone git：／／git．drogon．net／wiringPi

＄ cdwiringPi

＄sudo ．／build

测试MPU6050

先安装测试工具

＄ sudo apt－get install i2c－tools

执行这个工具测试 i2c bus上是否有看到MPU6050．

＄ sudo i2cdetect －y 0 （for a Revision 1board）

or

＄sudo i2cdetect －y 1 （for a Revision 2 board）

如果看到以下输出…注意那个”68″， 就表示已经正常抓到MPU6050了．

0 1  2  3 4  5  6 7  8  9 a  b  c d  e  f

00：         — — — — — — — — — — — — —

10： — — — — — — — — — — — — — — — —

20： — — — — — — — — — — — — — — — —

30： — — — — — — — — — — — — — — — —

40： — — — — — — — — — — — — — — — —

50： — — — — — — — — — — — — — — — —

60： — — — — — — — — 68 — — — — — — —

70： — — — — — — — —

再来我们要下载测试程序尝试抓取加速度计（accelerometer） ＆ 陀螺仪（gyroscope meter）数据．

下载测试程序， 并编译

＄ cd

＄ cdmpu6050＿in＿c

＄cat README．md

＄ gcc －o mpu6050＿accl ．／mpu6050＿accl．c  －lwiringPi －lpthread －lm

＄gcc －o mpu6050＿gyro ．／mpu6050＿gyro．c －lwiringPi －lpthread －lm

现在来看看加速度的数据， 请执行以下程序：

＄ sudo ．／mpu6050＿accl

应该要看到X， Y， Z 加速度数据， 如下：

My acclX＿scaled： 0．140625

MyacclY＿scaled： －0．031006

MyacclZ＿scaled： 0．994141

My Xrotation： －1．768799

My Yrotation： －8．047429

其中 acclX， acclY， acclZ 是三轴加速度数据

（单位是g， 没错！ 就是物理课本上面的重力加速度 g＝9．8m／s＾2）

MyX／Y rotation 是换算出来的角度 （单位是 degree）．

请试着将车体前倾或后仰， 看看数据的变化．

如果您安装MPU6050 的方向正确的话， 车体前倾或后仰应该会看到 Y rotation 介于 －90度 ～ 90度．

再来看看陀螺仪的数据， 请执行以下程序：

＄ sudo ．／mpu6050＿gyro

应该要看到X， Y， Z轴的角速度， 单位是 degree／s

MygyroZ＿scaled： －1．954198

MygyroX＿scaled： －4．312977

MygyroY＿scaled： 0．458015

MygyroZ＿scaled： 0．366412

MygyroX＿scaled： －4．053435

MygyroY＿scaled： 0．427481

MygyroZ＿scaled： －0．160305

请尝试着观察转动瞬间与数据的变化， 就会理解陀螺仪数据了。这里说明一下，单纯用上面那个加速度计不就可以推算出倾斜角度不是吗？ 为何需要用到陀螺仪数据呢？主要是因为加速度数据很容易浮动， 后来有人发明了使用陀螺仪数据再补上加速度数据的方法， 这样就能算出比较稳定可靠的倾斜角度这套方法叫做“complementary filter”．

测试DC motors

现在我们用 wiringPi 写一个程序测试 DC motors．

＄ cd

＄git cl，one https：／／github．com／wennycooper／dcMotor．git

＄ cddcMotor

＄cat README．md

＄ gcc －o dcMotor0 dcMotor0．c －lwiringPi－lpthread

准备要让马达转啰！！ 请确认12V电源有正常插上， 并把车体用手拿起来， 执行程序！！

＄ sudo ．／dcMotor0

如何？？ 正常的话两个马达应该正转5秒钟， 再反转5秒钟， 最后停止．

马达如果没有转， 表示前面步骤执行有错， 请回头去检查．

如果有转， 请确认两个马达都有转同样方向， 如果反向， 请把一个马达接脚两根交换， 应该可以改善．

还要注意一点， 您的两个马达都有转得很“够快”吗？？

如果转得很慢， 比方说每秒钟大约才2转， 很有可能是L293D 的部分接线有问题， 请回头再确认！！

转速太慢可能会造成车体倾斜时马达来不及将车体导正， 这样就无法平衡了．

最后整合

将上面所有的程序代码全部整合到一起！！

这程序会根据测到的数据， 努力保持车体平衡．

如果倾斜角度过大（＞60度）， 会自动让马达停止．

执行

由于每一台车体平衡角度不一样， 本程序开始执行的时候是假设车体已平衡， 并取出当下角度作为基准点， 再努力透过马达运作努力保持角度。这意思是说： “程序启动瞬间请保持车体平衡”

有一点点难度，我的做法是左手放车子到地面，扶着它尽量保持车体平衡，然后平衡瞬间右手敲键盘执行程序。以下是结果录像

作者：马岗阿文