做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

之前介绍过有人用钕铁硼+铅笔芯可以实现静态的磁悬浮，因为石墨具有抗磁性。当时简单试了下没有成功，后来就没有再深究了，内心深处对这个实验一直持怀疑态度。直到前几天有一位叫做老薛的小朋友动手实验成功，有兴趣的同学可以去翻翻他的博客。

这下老男孩坐不住了，老薛同学说了几点可能的原因：
1，把圆片形状的磁铁换为方块的，没有间隙可能漏磁较少；
2，磁铁不一定要大，小块的磁铁可能梯度更大
3，铅笔芯石墨含量越高越好

于是迅速淘了一小堆正方体小磁铁，兴致勃勃的准备见证奇迹，结果再次被打击了：

事实上，那根该死的铅笔芯不但没有浮起来，貌似还吸在了磁铁上。我把磁铁片翻过来，它居然还得意洋洋的挂在下面！

相比之下，老薛同学的实验照片如下：

伤心之余，我查了下资料，在阿莫的论坛上找到了疑似答案。主要是国内的铅笔芯都是采用的石墨+粘土配方，而大部分粘土里都是含铁的。需要说明的是抗磁性一般都比磁性弱很多，所以不但不能悬浮，还会被吸住。
没办法，咱也不能因为这个就投诉国货，毕竟铅笔芯不是设计来玩悬浮的。

为啥老薛同学的笔芯可以呢？哈哈，因为他是在英国啊。说到这里，不得不对他们的实验室表示一下由衷的羡慕妒忌恨。他的导师居然和他一起玩磁悬浮，之前还在实验室里玩遥控飞机。唉，国内的导师们，已经被各种论文和指标压的喘不过气，你要是在实验室玩这个，非得被扔到楼下去不可

下面是网上找来的图，可以看出磁铁大小和形状并不是关键原因，主要还是笔芯的问题：

最后，转一个国外某蛋疼到极致，同样也是敬业到极致的某同学的总结，试验了各个国家不同粗细和标号的铅笔芯的悬浮情况：
第一栏是笔芯粗细，国内一般只有0.5和0.7两种；第二栏是HB标号，B越大的越软，石墨含量越高（这次我还试了6B的铅笔芯，用小刀刮成片状，依然不成功）；yes和no不解释；第四栏是产地。

其中来自德国的施德楼（Staedtler）铅笔标记了Very Good，这个牌子我一直很喜欢，可惜家里的都是圆珠笔。

刚过完长假，继续发攻略来克服长假综合症。看到galiu同学带着女儿玩乐高，我突然非常高兴，哈哈，也许这就是若干年后的我啊！

进入正题，介绍提了多次的PID平衡算法。先从网上摘抄一段：

看概念可能有点晕，举个小小的例子也许能帮助理解。看下面的图：

假设我们想把一个小球稳定在一个光滑的坡顶，这显然是一个不平衡的系统，稍有扰动小球就会滚下来。假设恰好平衡的位置坐标是L，我们可以测量到小球的位置是x，那么怎么给小球施加f(x)的力反馈，让它能够平衡呢？

最直观的想法就是f(x) = Kp*(L-x)，简单的说就是你在左边我就向右推，你在右边我就向左推，这就是比例因子P；

现在考虑两种情况，同样是在x位置，小球静止和小球具有速度V这两种情况。很明显，如果V>0，我们只需要施加更小的力，因为小球自身的惯性会让它运动向平衡位置。所以可以修正f(x) = Kp*(L-x) – Kd*V。因为速度一般不容易测量，我们常常用位置的变化Δx除以测量的时间差Δt来计算速度，所以这就是微分因子D；

情况继续发生变化，上面考虑的是斜坡静止的情况，如果这个变态的斜坡是移动的怎么办呢？（例如两轮平衡机器人实际上是可以运动的，对于静止的磁悬浮来说，不需要考虑这个参数）这时候我们需要不断的累加并平均x值，来计算平衡位置的L，这个就是积分因子I；

以上就是PID的简要介绍。说起来容易，真正调试的时候，最恼火的就是这几个参数到底是多少，办法只有一个：试，不断的试！

当然，试验也不要当老黄牛，累死都没人知道。我曾经试其中某个参数，从0.1开始，每次加0.01，差点试到崩溃。后来想了个办法，用串口把Arduino的读数发送到电脑，然后用软件分析结果，看到数据明显发现这个值偏小，发狠改到20，就这样成功了…..

当时的数据找不到了，发一段成功悬浮时的log吧，其中两种颜色分别代表两个方向的传感器读数（相当于x）：

从图上可以看出，平衡的位置具体在哪里，我们可能不一定能精确知道，但是通过合适的反馈系统，陀螺能够自动稳定到相应的位置上。参数不正确的情况下，这些点会越振越远，直到失控。

最后附上源代码，没有时间整理，可能有不少问题，有兴趣的同学凑合看吧

//PINs setting
int adjust1Pin = 1;    //用来调节A的电位器
int adjust2Pin = 2;    //用来调节B的电位器
int read1Pin = 4;      //用来连接输入A传感器
int read2Pin = 3;      //用来连接输入B传感器
int i1Pin = 36;        //连接电机驱动板的I1接口
int i2Pin = 37;        //连接电机驱动板的I2接口
int i3Pin = 39;        //连接电机驱动板的I3接口
int i4Pin = 38;        //连接电机驱动板的I4接口
int power1Pin = 5;     //连接电机驱动板的EA接口
int power2Pin = 6;     //连接电机驱动板的EB接口
int rotatePin = 3;     //用来控制磁场旋转的PMW接口

boolean debug = false;
boolean writeLog = false;
double setKd1 = 0.55;
double setKd2 = 0.55;
double setKp = 22;
int offset = 70;
int delayMs = 1;
int tick = 0;
int myLog[3500];

//PID structure
typedef struct {
  double target;
  double aver;
  double Kp;
  double Kd;
  int preError;
  int power;
  boolean flag;
  double v;
} PID;

PID Pid1, Pid2;

void setup()
{
  pinMode(i1Pin, OUTPUT);     //I1和I2都是数字信号
  pinMode(i2Pin, OUTPUT);     //通过设置I1和I2来控制电流方向
  pinMode(i3Pin, OUTPUT);     //I1和I2都是数字信号
  pinMode(i4Pin, OUTPUT);     //通过设置I1和I2来控制电流方向
  pinMode(power1Pin, OUTPUT);  //按占空比方式输出的模拟信号
  pinMode(power2Pin, OUTPUT);  //按占空比方式输出的模拟信号
  pinMode(rotatePin, OUTPUT);  //按占空比方式输出的模拟信号

  //analogWrite(rotatePin, 128);

  Serial.begin(9600);          //设置波特率
  TCCR0B = 0x01;   // Timer 0: PWM 5 &  6 @ 16 kHz
  TCCR1B = 0x01;   // Timer 1: PWM 9 & 10 @ 32 kHz
  TCCR2B = 0x01;   // Timer 2: PWM 3 & 11 @ 32 kHz
  Pid1.Kp = setKp;
  Pid1.preError = 0;
  Pid1.Kd = setKd1;
  Pid1.power = 0;
  Pid1.flag = true;
  Pid1.target = 300;
  Pid1.aver = 0;
  Pid1.v = 0;
  Pid2.Kp = setKp;
  Pid2.preError = 0;
  Pid2.Kd = setKd2;
  Pid2.power = 0;
  Pid2.flag = true;
  Pid2.target = 300;
  Pid2.aver = 0;
  Pid2.v = 0;
  tick = 0;
}

int tick2 = 0;
//boolean rotateFlag = true;
void loop()
{
  //digitalWrite(rotatePin, rotateFlag);
  //rotateFlag = ! rotateFlag;
  //delay(16000);
  //return;

  if(debug) tick = 0;
  tick++;
  if(tick==500)
  {
    tick2++;
    if(tick2<50) {tick = 0;return;}
    tick2 = 0;
    if(writeLog)
    {
      for(int i=0;i<500;i++)
      {
        Serial.print(myLog[i*7 + 0]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 1]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 2]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 3]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 4]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 5]);
        Serial.print("  ");
        Serial.print(myLog[i*7 + 6]);
        Serial.println("  ");
      }
      Serial.println(Pid1.target);
      Serial.println(Pid1.preError);
      Serial.println(Pid2.target);
      Serial.println(Pid2.preError);
    }
    return;
  }
  else if(tick>500)
  {
    tick = 0;
    //delay(990000);
    return;
  };

  //=======第一组电位器和传感器========
  int readValue1 = 0;
  for(int i = 0; i < 4; i++) readValue1 += analogRead(read1Pin);
  readValue1 >>= 2;
  //readValue1 += (Pid1.flag ? 1 : -1) * Pid1.power / 17;
  int adjustValue1 = analogRead(adjust1Pin); //410 analogRead(adjust1Pin);
  Pid1.aver = Pid1.aver * 0.9995 + readValue1 * 0.0005;
  Pid1.target = Pid1.target + (Pid1.target - Pid1.aver) / 100.0;
  Pid1.target = max(0, max(adjustValue1 - offset, Pid1.target));
  Pid1.target = min(755, min(adjustValue1 + offset, Pid1.target));

  //=======第二组电位器和传感器=======
  int readValue2 = 0;
  for(int i = 0; i < 4; i++) readValue2 += analogRead(read2Pin);
  readValue2 >>= 2;
  //readValue2 += (Pid2.flag ? 1 : -1) * Pid2.power / 6;
  int adjustValue2 = analogRead(adjust2Pin); //240 analogRead(adjust2Pin);
  Pid2.aver = Pid2.aver * 0.9995 + readValue2 * 0.0005;
  Pid2.target = Pid2.target + (Pid2.target - Pid2.aver) / 1000.0;
  Pid2.target = max(0, max(adjustValue2 - offset, Pid2.target));
  Pid2.target = min(755, min(adjustValue2 + offset, Pid2.target));

  if(debug)
  {
    Serial.println(adjustValue1);
    Serial.println(adjustValue2);
    Serial.println(readValue1);
    Serial.println(readValue2);
    Pid1.flag = adjustValue1 > 512;
    Pid1.power = abs(adjustValue1 - 512) / 2;
    if(Pid1.power > 255) Pid1.power = 255;
    digitalWrite(i1Pin, Pid1.flag);
    digitalWrite(i2Pin, !Pid1.flag);
    analogWrite(power1Pin, Pid1.power);
    Pid2.flag = adjustValue2 > 512;
    Pid2.power = abs(adjustValue2 - 512) / 2;
    if(Pid2.power > 255) Pid2.power = 255;
    digitalWrite(i3Pin, Pid2.flag);
    digitalWrite(i4Pin, !Pid2.flag);
    analogWrite(power2Pin, Pid2.power);
    delay(32000);
    return;
  }

  //Calculate power values
  double v, error;
  error = readValue1 - Pid1.target;
  v = error - Pid1.preError;
  Pid1.v = (Pid1.v * 6 + v) / 7;
  Pid1.power = (int)error * Pid1.Kd + Pid1.v * Pid1.Kp;
  Pid1.flag = Pid1.power > 0;
  Pid1.power = abs(Pid1.power);
  if(Pid1.power>255) Pid1.power = 255;
  Pid1.preError = error;

  error = readValue2 - Pid2.target;
  v = error - Pid2.preError;
  Pid2.v = (Pid2.v * 6 + v) / 7;
  Pid2.power = (int)error * Pid2.Kd + Pid2.v * Pid2.Kp;
  Pid2.flag = Pid2.power < 0;
  Pid2.power = abs(Pid2.power);
  if(Pid2.power>255) Pid2.power = 255;
  Pid2.preError = error;

  //Write PMW to control the floa
  digitalWrite(i1Pin, Pid1.flag);
  digitalWrite(i2Pin, !Pid1.flag);
  analogWrite(power1Pin, Pid1.power);

  digitalWrite(i3Pin, Pid2.flag);
  digitalWrite(i4Pin, !Pid2.flag);
  analogWrite(power2Pin, Pid2.power);

  myLog[tick * 7 + 0] = tick;
  myLog[tick * 7 + 1] = (int)Pid1.target;
  myLog[tick * 7 + 2] = readValue1;
  myLog[tick * 7 + 3] = Pid1.power;
  myLog[tick * 7 + 4] = (int)Pid2.target;
  myLog[tick * 7 + 5] = readValue2;
  myLog[tick * 7 + 6] = Pid2.power;

  /*
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(rotatePins[i] , 0);
    digitalWrite(rotatePins[(i + 1) % 8] ,1);
    delay(1);
  }
  digitalWrite(rotatePins[0] , 0);
  */

  delay(delayMs);
}

距上一篇攻略已经过了快一个月了。这个月生病一次，加班数次，其中还有带病加班的几天，过年前的日子真难过啊 不过今年春节有10天假，强烈期待中。另外后天公司开年会，希望能抽个大奖，哈哈！

下面继续发磁悬浮的攻略。下推式其实原理和上拉式很相似，区别在于需要两组线圈才能维持浮子的平衡。下面是其中一组线圈的电路示意图：

下推式电路示意图，点击看大图

这个电路和之前上拉式的完全一样，所以这次不需要额外的焊接工作，对比上篇博客的电路图，只是多了一些杜邦头的插针，便于连线：

上推式磁悬浮连线实物图

之前制作小爱的时候，试验过Arduino的模拟输入输出，数字输入输出，这里再简单复习下。

Android Mega一共有四种IO接口：模拟输入输出和数字输入输出。其中模拟输入标记为“ANALOG IN”，可以测量0~5V的电压，对应在代码中的读数范围是0~1023，示例代码如下：

int readValue1 = analogRead(read1Pin);

模拟输出实际上输出的是一串方波，通过高低电压的占空比来产生“平均电压”。在板上对应的标记是PWM，输出电压同样是0~5V，但是请注意设置的数值范围却是0~255。示例代码如下：

analogWrite(power1Pin, Pid1.power);

数字输入输出需要先设置管脚的模式，直接看示例代码吧，相信聪明的你肯定明白：

pinMode(Pin1, OUTPUT);     //设置为输出管脚
pinMode(Pin2, INPUT);      //设置为输入管脚
digitalWrite(Pin1, HIGH);  //输出高电压
int v = digitalRead(Pin2); //读取Pin2的电压，返回结果是0或1

anduino控制板

其中0~53所有的接口都可以作为数字输入输出接口，而其中只有2~13可以用作PWM模拟输出。模拟输入的接口编号是0~15，和刚才的编号是互相独立的，不会冲突。对于盗梦陀螺来说，传感器和电位器的读数显然要用模拟输入，而线圈电流的控制也显然要用模拟输出。强烈建议把接线的编号集中写在程序的最前面，这样可以一目了然的看出是怎么接的线：

int adjust1Pin = 1;    //用来调节A方向的电位器
int adjust2Pin = 2;    //用来调节B方向的电位器
int read1Pin = 4;      //用来连接输入A传感器
int read2Pin = 3;      //用来连接输入B传感器
int i1Pin = 36;        //连接电机驱动板的I1接口
int i2Pin = 37;        //连接电机驱动板的I2接口
int i3Pin = 39;        //连接电机驱动板的I3接口
int i4Pin = 38;        //连接电机驱动板的I4接口
int power1Pin = 5;     //连接电机驱动板的EA接口
int power2Pin = 6;     //连接电机驱动板的EB接口

细心的朋友一定看到上面代码中，有I1到I4四个接口，我将会把它们设置成数字输出。这里再顺便介绍下L298N的用法。
L298N直接连接了20V的电源，通过板内取电的方式提供5V电压给电路使用。板上包含了对称的两组电流驱动电路，以I1,I2,EA为例：

I1=0;I2=1;  //输出正电压，EA范围0~255时，输出电压对应为0~+20V
I1=1;I2=0;  //输出负电压，EA范围0~255时，输出电压对应为0~-20V
I1=0;I2=0;  //输出电压均为0
I1=1;I2=1;  //输出电压均为0

我们可以用数字输出I1和I2控制线圈的电压方向，用模拟输出EA控制电压的大小。I3，I4和EB是完全一样的，这里就不多说啦。友情提醒一下，Arduino的地线，L298N的地线，还有焊接电路的地线，这些地线一定要都连在一起。

到这里电路硬件的部分就介绍完了，实际上，按照这个方式做好的版本是非常不稳定的。看下面的视频，就是最初的不稳定版本，可以看出振动的非常厉害：

后面会继续介绍如何让悬浮更稳定，主要是引入PID控制的概念，另外还需要提高Arduino的PWM方波频率。

昨天又收到一封邮件，声称不用电的磁悬浮是可行的，并给我发了一张照片作为证据，希望我研究研究。没看附件的时候，我还在猜想是不是什么反磁性物质或者超导体，结果是这么一个简单的“设计”：

所谓的静态磁悬浮

我承认其实我也没有研究过恩绍大定理的具体内容，但是我相信数学家。至少我相信一点：如果静态磁悬浮这么好实现，恩绍同学一定早被人从天堂揪回来，并追认为中国专家了。

为什么我要说“又”呢，因为前一段时间一些人给我发邮件，阐述了用磁铁制造永动机的想法，当然他们也有证据，比如youku上的这个视频。这些同学宁可相信一个清晰度不高的视频，也不愿意花五分钟搜索下google。这里我倒是有个窍门，但凡遇到自己不太信的东西，只需要搜索下“关键词+骗子”即可。

比如这个视频里的永动机叫Perendev磁电机，我就在google上搜了下“Perendev 骗子”，结果果然被我搜到一些新闻，大概意思如下：
Perendev motor 发明人 Michael Brady 在今年三月底于瑞士遭到逮捕并引渡德国，现在面临诈欺罪起诉。Perendev motor 号称是可以投入量产的免费能源，前几年在网路上相当热门，也有不少拥护者。
不过 Perendev motor 从来没提供过什么称得上证据的东西，只有网路上几段不到10分钟但解析都还不错的影片。当Michael Brady 在 2006 年宣布接受订单后，光是在德国就至少有 61 位客户兴冲冲的付了订金，总金额粗估为一百万欧元。Perendev motor 在俄国、西班牙、荷兰也设有分公司，目前还不知道有没有他国人士下订单。

我觉得很有意思的是，ourdev论坛上也是这样，本来只是大家玩玩磁铁，结果很快就有人发静态悬浮或者永动机的帖子。根源可能在于他们觉得磁铁的力量是凭空出现的。其实引力是普遍存在的，就像高山上的水流下来可以做功，但没有人会把水运到山上倒下来让它发电。磁铁也是一样，它吸住铁皮的时候可以做一点功，但是拉开它们的时候就轮到外界做功，总归它不能产生额外的能量。

以后类似的邮件请不要再发给我了，也希望不要有人再被骗子忽悠。

最后发一个无聊的“磁铁永动机”漫画，仅供娱乐：

有了磁悬浮陀螺的念头，我没有直接开始做下推式，而是先做一个上拉式的练练手。这件事的经历说明：对一个新手来说，可以采用由浅入深，先易后难的策略；虽然总时间可能会更长一点，但是对增强信心，掌握经验很有帮助。（好吧，水木的Joker们看到这句话一定会想歪，色情猥琐男们请自觉面壁）

上拉式磁悬浮原理相当简单。先用万能的乐高颗粒搭一个架子，把绕好的线圈固定在上面。然后用钕铁硼强磁做一个浮子。小窍门来了，我们在线圈的上方放置一个大磁铁，一开始浮子会被吸在线圈下方，慢慢的向上抬大磁铁，到一定高度时，浮子吸不住了向下落。记住这个位置，把大磁铁固定在那里。这样的效果是：线圈里只要通一点电流，就可以吸住浮子，电流一断浮子就会下落。

线圈和浮子的安装

图中的浮子下面有个白色的东西，其实那不是什么秘诀，只是我用来标示上下的记号。大磁铁下面有好几个乐高齿轮，其实那都是调节高度用的，之所以用齿轮而不是用圆片倒是有原因的，因为我觉得比较酷

电路方面，上拉式磁悬浮只需要一个传感器，但是我还是焊了双路的板子，这样和将来的下推式用同一块就可以。电路图还没时间学习怎么画，先用画笔凑合弄了个原理图，里面省略了一些细节，不过应该能看明白了。

上拉式磁悬浮原理图

请注意我的电路中用了两个电位器。其中电位器1是多圈电位器，作用是调节传感器输出范围。3503很灵敏，电流被放大以后，很容易就超出0到5V的测量范围，所以在需要一个精密的电位器，让输出范围尽量在5V以内。电位器2是用来调节浮子位置的，它是我们设置的“目标位置”。Arduino开发板的作用，就是调整线圈电流大小，从而控制浮子上下移动，最终让传感器的读数等于我们设定的目标值。实物的接线图请看：

接线图，貌似不太清楚

这个可能大点

代码就非常简单了，所有的代码只有下面这几行：

int readPin = 2;    //用来连接输入
int i1Pin = 36;     //连接电机驱动板的I1接口
int i2Pin = 37;     //连接电机驱动板的I2接口
int powerPin = 8;   //连接电机驱动板的EA接口
int adjustPin = 6;

boolean flag = true;
int power = 0;
int readValue = 0;
int adjustValue = 0;

void GetPowerValue()
{
  power = readValue - adjustValue;
  if(power < 0) power = 0;
  if(power > 50) power = 50;
  power = power * 16 / 10;
}

void setup()
{
  pinMode(i1Pin, OUTPUT);     //I1和I2都是数字信号
  pinMode(i2Pin, OUTPUT);     //通过设置I1和I2来控制电流方向
  pinMode(powerPin, OUTPUT);  //按占空比方式输出的模拟信号
  digitalWrite(i1Pin, !flag);
  digitalWrite(i2Pin, flag);
  //Serial.begin(9600);          //设置波特率
}

void loop()
{
  //读取电位器和传感器的读数
  readValue = analogRead(readPin);
  //传感器的电压范围是220~580，所以调节电位器的范围可以稍作调整
  adjustValue = analogRead(adjustPin) / 3 + 220;
  GetPowerValue();
  //Serial.println(readValue);
  //Serial.println(adjustValue);
  //Serial.println(power);

  analogWrite(powerPin, power);
  //delay(2000);
  //delay(1);
}

代码虽然简单，但是在制作的过程中却走了很多弯路。这段代码的重点在于：
power = power * 16 / 10;

这个相当于是调整线圈电流的放大倍数，参数1.6如果小了则吸不住浮子，大了则无法稳定。程序中的16如果换成15或者17都不行的。因为这么一个小小的问题，我走了一星期的弯路。当时怀疑原理不对，在反复检查无果之后，已经跟圈妈提出放弃这个项目。幸好这时候得到了圈圈妈“严厉”的鼓励：遇到这么点困难就打退堂鼓，以后怎么做大事！从另一个角度说，当你想尽办法几乎绝望的时候，其实已经接近成功了，因为你已经排除了大部分错误。

果然第二天就解决了问题！后来在制作下推式的时候，类似的事情又一次发生，那次主要问题在于线圈绕的不行，而重做线圈是一个非常浩大的工程，同样也是在圈妈的鼓励下，终于下决心重新做一遍。在此向顽强的圈妈表示敬意（圈妈表示鸭梨不大，反正她不出力干活^_^ ）

这个实验最终的经验总结如下：
1，参数很重要！如果你的磁悬浮上下跳动的厉害，恭喜你，其实你已经接近成功了。
2，这个试验中的参数有效范围非常窄，跟程序也有关系，后面会介绍一种PID算法，可以扩大范围，更容易调节。
3，坚持，太累的时候放松一下，然后换个思路想想。

视频如下：

第一件事是给盗梦陀螺做了一个盒子，这件事得到了圈圈妈的大力支持，在此表示感谢！

现在看上去好看多了

盒装版盗梦陀螺

再换个角度

正面照

特写：

特写

第二件事是圈圈妈协助我把制作的过程记录了下来，并重新整理了一个视频。呵呵，我也算时髦了一把，玩了一下视频加工，看看效果如何：

第三件事是给CNBeta又投了个稿，特地截了两张”剧照”配合一下 ^_^

看过”盗梦空间“的童鞋们，一定对那个陀螺印象深刻吧？最近，动力老男孩也赶了趟时髦，充当了一把造梦师。图中的盗梦陀螺是采用潘多拉星球的矿石为原料，纯手工打造而成。配上量身定做的底座以后，这个神奇的陀螺不仅不会倒下，还可以保持悬浮状态。

怎么样，是不是有梦境一样的错觉呢？请参考以下做法：

===================================

另外，应网友建议，我在页面的最上面添加了一个“盗梦陀螺”分类，以后会陆陆续续把攻略添加到这个目录中。

今天接着上次的内容，继续分享动态磁悬浮。

话说恩绍大定理问世以后，在很长的一段时间内，如果某个物理学家宣布要制造磁悬浮，一定会受到同行们的羞辱，因为这个跟永动机一样是不可能的。可惜的是，有无数的民间“科学家”不认得恩绍，更不知道什么大定理小定理，他们日复一日的做各种尝试。奇迹往往就这样产生了，1993年美国的一位叫罗来.哈里根（Roy Harrigan）的民间发明家申请了一项磁悬浮的专利。玩过陀螺的人一定都注意到一个现象：静止的陀螺是不可能直立的，但是只要旋转起来，就能保持平衡。哈里根同学的方法就是这样，虽然静止的磁铁不能保持稳定，但是可以做成一个陀螺，让它旋转起来就可以保持悬浮状态。

后来有两位无耻的物理学家（美国拉斯维莫斯国家实验室，所以大家也别相信美国的所谓社会公德），作为学院派的人物，他们抱着找茬的态度联系了发明家。在亲眼目睹了这个神奇的发明之后，他们骗走了一套陀螺回去研究。之后的事情大家应该能猜到了，他们稍作修改，申请了新的专利，并制作了一种叫Levitron的玩具大赚特赚。这次为了研究磁悬浮，我也特地从淘宝买了一套，只需要15元：

不用电的磁悬浮，但是需要很高的技巧

说到这里必须多提两句。据专家分析，这种陀螺在磁体上几十毫米的空中浮动，但稳定区域只有４毫米左右，陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定。不仅如此，陀螺的重量必须精确到１％左右，轻则飞出，重则落地。加之陀螺的稳定还随环境温度变化，必须随时调整。使用者还要学会在磁体强烈的斥力下把陀螺转到一定的转速，快了慢了都不能稳定。作为一个成熟产品，我大概玩了一个小时才能掌握让它浮起来的技巧，真不知道这些发明家们经历了多少失败才发明出来的！在此向这些伟大的DIY玩家致敬！

这个不用电的陀螺虽然能悬浮，但是只能保持几分钟（空气阻力）。然后21世纪到了！集成电路，霍尔传感器，钕铁硼强磁….科技的进步让我这样的业余玩家也可以在家做磁悬浮，这就是所谓的站在巨人肩膀上。这次我做了两种磁悬浮：上拉式和下推式。其中用到的一个关键器件是线性霍尔传感器，这种传感器简而言之就是能够感知磁场的大小：

线性霍尔传感器

这种传感器的安装要非常小心，因为它测量的是通过那个小小的平面的磁通量，如果磁场和表面平行，那么再强的磁场也测不出来。另外这里必须用线性霍尔，而不是开关型霍尔，我选用的型号是UGN3503。

有了传感器，其他的事情就好办了。例如上拉式磁悬浮，如果检测到磁铁向下运动，就加大电流把它吸上来；反之如果向上运动，就减小电流让它下落。当然这里面也需要一些编程上的技巧，我后面会介绍PID算法原理。

上拉式磁悬浮原理图

下推式悬浮原理很类似（其实两种悬浮我用的是同一块电路板），但是需要横竖两个方向共同合作。以一个方向上的截面为例：

下推式磁悬浮原理图

它的原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，把它推向左。用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。

至于让浮子旋转，我参考的是鼠笼式电动机的原理，基本上是依据楞次定律，制造一个旋转磁场，以此让浮子无接触的转动。这个实验没有成功，我觉得主要是因为线圈的电磁场随距离衰减过快，无法驱动陀螺。不过这次实验倒是让我学习了一些数字电路的知识，改天也会总结一下发上来。

鼠笼式电动机原理

有了磁悬浮的基础，可以有一些很酷的应用。你可以想象一个悬浮的无线供电灯泡，或者一个悬浮的广告灯箱。有一家叫Crealev的荷兰公司专门做磁悬浮产品，效果非常酷，看下面的产品图：

悬浮台灯

悬浮的儿童不宜

昨天跟一群同事一起去吃烤肉，那些肉特别容易粘在篦子上，贪吃的你一定知道的。同事们开玩笑说，你发明个东西，让肉飘在空中吧，无接触式翻烤。呼呼，这还真是个有意思的创意！

好了，磁悬浮的背景故事说完了。还有几句题外话：
上面说起了永动机，不得不再提一下民间发明家们。即使是现在，依然有很多人在孜孜不倦的发明永动机，大部分人当然是浪费时间，但是依然有一些非常有创意的小发明问世，姑且称之为“准永动机”。比如我们常见的自动手表，就是通过人体运动驱动摆锤自动上发条。还有一种神奇的喝水鸟，只要一天的温差超过几度，它就可以不停的点头喝水，很好玩

靠温差运动的神奇“喝水鸟”

先说说这几天都干了什么吧。总结来说，就是又做了一个不成功的实验。在上次的视频里，被眼尖的童鞋们敏锐的指出，这个陀螺转速是越来越慢的。事实上，这个陀螺慢到一定程度之后，会保持稳定的速度旋转，不会停下来。这周的主要想法就是做一个高频旋转的磁场，试试看能不能带动陀螺高速旋转。

使用的方案是：方波+74LS161计数器+74LS138译码器+L298N直流电路驱动器。电路总算是调通了，但是作用力不足以影响陀螺的转速，实在是太肉了。发个截图留念吧，明天就把它拆了。

旋转磁场的发生装置

下面言归正传，把我之前收集的一些磁悬浮相关的知识分享给大家。

自然界的物质有抗磁性，顺磁性和铁磁性三种特性，来自潘多拉星球的阿凡提同学可能对此存有疑惑，不过在咱们地球目前只有这么三种。其中：
【抗磁性】几乎是所有物质都有的，它的来源是楞次定律。这个抗磁性非常微弱，大部分情况下可以忽略不记，常温下抗磁性最强的物质是金属铋；
【顺磁性】这种物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性，金银铝铂之类的金属貌似都是顺磁性；
【铁磁性】这个大家最熟悉，一根铁钉在磁铁上蹭几下，它就变成一个小磁铁。具有铁磁性的元素有五种：铁，钴，镍，钆，镝。这些元素的化合物也可能具有铁磁性，咱们最常见的黑磁铁主要成分就是四氧化三铁，还有巨牛无比的钕铁硼（友情提示，那个字念“女”）

说起磁铁，相信是很多小盆友儿时的宝贝，也许大家也曾想过用巧妙的设计让磁铁悬浮起来。例如我构思过这么一个方案，把很多磁铁N极向上贴在一个碗的内侧，然后把另外一些磁铁N向外贴在一个球的外侧，这样是否能悬浮呢？

儿时幻想的磁悬浮

下面就是一个著名的恩绍大定理(Earnshaw’s theorem)

这个可恶的家伙早在1842年就用数学证明了：若单靠宏观的静态古典电磁力，稳定的磁悬浮是不可能实现的。这是因为在物件上所承受的各种合力，包括了引力、静电场及静磁场会使物件变得很不稳定。

你可以想象在光滑的坡顶放一个小球，虽然有某个平衡点存在，但事实上是无法稳定的，任意小的扰动都会让它失去平衡。所以大家不要费劲去设计了，像下面这样的磁悬浮列车设计没有外界能源时是无法平衡的：

无法实现的稳定磁悬浮

但是恩绍大定理有个例外，就是前面提到的抗磁性。超导现象就是抗磁性的一个极端情况，因为超导体内部的感应电流可以非常大。实验也非常简单，弄一个超导体的盘子，直接扔一块磁铁进去，它就能稳定的悬浮着。

超导磁悬浮

事实上如果磁场足够大的话，生物体内水分的抗磁性都足以让它悬浮起来。2000年，科学家安德烈·海姆和迈克尔·贝瑞使用磁性让一只青蛙悬浮在半空中，他们因此获得了当年的搞笑挪被窝儿奖（不过他们今年真的拿奖了，因为石墨烯，不得不赞一个，感觉这两个科学家的研究工作都是在玩啊）

用超导体的强大磁场，可以把青蛙悬浮起来

 我们在常温下有没有可能实现静态稳定磁悬浮呢？答案是肯定的！以我们刚才说的最强的抗磁性金属铋（这个东西居然淘宝有卖的，而且比奶粉便宜）为例。因为它的抗磁性非常弱，所以有网友设计了一种巧妙的方法，先用一组磁铁让悬浮物处于“基本平衡”的状态，这时候微弱的抗磁力就可以让悬浮物稳定的平衡了。看下面的图：

用铋实现的常温下 稳定磁悬浮

另外一个例子是石墨烯，这个东西轻飘飘的，也可以在常温下悬浮。下面这个图里，四块磁铁是N对S这样分别吸住的，据说国外有人用铅笔芯削成薄片也可以实现这样的效果。我试了下貌似不行，于是又有人解释说国内的铅笔芯含粘土，不是纯石墨。。。具体怎么样有兴趣的兄弟自己试试吧:)

常温下悬浮的石墨片

今天晚了，改天再介绍动态磁悬浮。最后发一个展望未来的图，嘿嘿：

想一想都觉得爽啊

还记得两个月前热映的电影《盗梦空间》吗？那是有圈圈之后第一次去看电影，电影非常酷，我也非常兴奋。也许有人跟我有过类似的经历：早上从梦中惊醒，迷迷糊糊起床，刷牙洗脸吃早饭，然后去学校考试，没想到平时很熟的题目就是不会做，一着急就穿越了，原来还在床上……汗，梦中好像还上了厕所，赶紧检查一下

中国古代也有类似的故事，例如黄粱一梦（典故向下看）。那个道士应该算是Inception的鼻祖了，而那个书生也因为这个梦看透了荣华富贵。嗯？貌似跟电影还挺相似啊，难倒是抄袭了创意？呵呵，跑题了，总之这是一部让人深思的电影。

电影中最让我印象深刻的就是那个陀螺（因为圈圈妈会审查我的博客，所以不能说印象最深刻的是那个小美女造梦师）。看完电影，圈圈妈说：你也做一个不会倒的陀螺吧。

不会倒的陀螺其实很好做，用几块磁铁就可以让陀螺处于竖直稳定状态：

不会倒的陀螺简易版

这个陀螺叠加上旋转磁场后，就可以一直旋转下去了。但是我觉得这样不够酷，于是跟圈圈妈夸下海口，要做一个能悬浮的陀螺。事实证明，一个已婚已育的IT加班男，最好不要随便吹牛。电影之后我马不停蹄的查阅资料，购买器件，设计电路，制作陀螺，调试程序，到最近才刚刚做成雏形。回头看了下当时的博客，神啊，两个多月过去了。

秀一下做好的陀螺吧，本来想尽量做成跟电影里一样，不过看来手艺一般。这个外形我用小刀整整抠了一晚上，大家给个面子夸一夸吧：

纯手工打造的盗梦陀螺

这是悬浮状态时的陀螺截图：

悬浮状态的盗梦陀螺截图

有兴趣的同学可以进一步观看视频：

第一次悬浮成功的时候，还真有一种恍然如梦的感觉。也许人生就是这样，有些梦看似遥不可及，真正动起手来其实就是两个月的业余时间。当然，搞不好这个作品只是在梦中实现的，希望明早醒来的时候，这个玩意儿还在我的桌子上

=============传说中的昏鸽线==================
从百度贴一段典故，供半文盲小白们查阅：

唐朝时期，一个书生姓卢，字萃之，别人称之为卢生。

一年，他上京赶考，途中在邯郸的旅馆里投宿，遇到了一个叫吕翁的道士，并向他感慨人生的穷困潦倒。吕翁听后，从衣囊中取出一个枕头给卢生，说：“你晚上睡觉时就枕着这个枕头，保你做梦称心如意。”

这时已晚，店主人开始煮黄米饭。卢生便按着道士的说法开始睡觉，他很快睡着了。在睡梦中，他回到家中，几个月后，还娶了一个清河的崔氏女子为妻，妻子十分漂亮，钱也多了起来。卢生感到十分喜悦。不久他又中了进士，多次层层提拔，做了节度使，大破戎虏之兵，又提升为宰相做了十余年。他先后生了五个儿子，个个都做了官，取得了功名，后又有了十几个孙子，成为天下一大家族，拥有享不尽的荣华富贵。然而到了八十多岁时，他得了重病，十分痛苦，眼看就要死了，突然惊醒，才知是一场梦。

这时，店主煮的黄米饭还未熟。卢生感到十分奇怪地说：“这难道是场梦？”吕翁听了便说：“人生的归向，不也是这样吗？”

经过这次黄粱一梦，卢生大彻大悟，再不去想进京赶考了，反而进入深山修道去了。