做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

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：

自从修改了论坛的防垃圾注册功能，最近两周来确实没有新的广告用户了。偶尔有一些广告，经我查证，都是在修改之前注册的。

不过这件事没啥可高兴的，因为把广告用户清理掉之后，我发现论坛彻底干净了，基本没有人访问…….

有位好心的网友 mikeyu 建了一个QQ群，群号是84652133，有兴趣的同学可以去凑个热闹，在此表示感谢！像我这样不用QQ的老同志只好飘过了

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：

相信很多人看过原理图之后，和我一样信心满满，这个东西太容易做了，不就是照图焊器件嘛，一星期就可以搞定了！

真正动起手来，才知道没那么容易。第一件事就郁闷了：去哪里找线圈？在淘宝搜了一大圈也没找到合适的。铜丝直径？线圈直径？线圈高度？绕多少匝？线圈之间距离？乱七八糟的好多事情，who tama knows!

最后只能去电子城买了一公斤的铜丝回来自己绕。那时候我还不知道有“线圈骨架”这么个名词，没找到合适的东西，就自己做了几个轴。于是出现了下面这么多奇形怪状的线圈：

奇形怪状的线圈们

更奇形怪状的线圈们

细心的同学可能会发现，其中有些是带铁芯的（我分别用大螺丝和一毛钱的硬币柱当过铁芯），有些是没有铁芯的。事实证明，磁悬浮的线圈不能有铁芯！这点和我最初的直觉有点不符，因为觉得加了铁芯后磁场会更强。事实上因为我们的浮子是钕铁硼强磁，铁芯对它的吸力远大于线圈产生的磁力。也就是说，带铁芯的线圈只能产生“很大的吸力”和“更大的吸力”，没法产生“较小的吸力”和“较小的斥力”

绕线圈是一个非常痛苦的差事，我数过一个线圈平均大概是800匝左右，绕的我头昏眼花。所以后来做了一个绕线用的小东西，这就是我喜欢乐高的原因，很简单的一堆颗粒，可以拼出很多你想要的东西：

乐高制作的绕线器

用绕线器绕出的线圈们

后来买了线圈骨架，这下绕的就好看多了。对于下推式磁悬浮，一共需要4个线圈。霍尔传感器尽量放在4个线圈的中心位置，这样的好处是线圈通电时，感应的磁场在中心处几乎都互相抵消了，只有浮子的移动才会影响到传感器的读数。

霍尔传感器安装在中心位置

事实上，传感器的位置并不需要太严格。因为霍尔测量的是垂直它表面的磁通量。只要传感器的高度在线圈的高度中心，这里的磁通量都是平行与传感器的，也不会产生影响。

高度尽量居中

我的第一个版本的悬浮，传感器就是用胶布贴在侧面的中心，一样可以悬浮。缺点是浮子移动时，磁场的变化不是线性的，容易产生振动。

高度居中时，水平位置要求并不高

接线方面，互相对面的一组线圈之间反相连接。也就是说当在一对线圈两端通电时，一个会对浮子产生斥力，另一个会产生引力，正好是相反的，连推带拉才給力！

下面这个是背面的接线图，其中中心位置的是两个传感器，我把它们引出到两个杜邦头插针上，这样可以方便插拔。对面的线圈分别把相同极性的抽头焊在一起：

接线图，希望你能看懂

最后发一个关于线圈的经验小贴士，省的大家再重做无用功了：
1，产生相同的磁力，铜丝越细需要的电压越高，因为电阻比较大。我用的是0.27的铜丝，20V的电源。（用20V的原因是我有个坏掉的笔记本，利用下电源）
2，磁力的大小跟匝数关系不大，因为匝数增大的时候，电阻也增大，电流减小，产生的磁场差不多。但是匝数越多越省电。
3，四个线圈之间距离要稍大一点，浮子会更稳定，当然也别大的离谱，我的经验是线圈中心的直径和浮子直径差不多。
4，传感器的位置尽量在线圈中间，高度上也尽量放在中心的高度。
5，不要装铁芯。
6，给线头留长点，当你辛苦装上几个线圈，突然发现线头不够长的时候，会有看破红尘的感觉。

几个月前企图做一个两轮平衡机器人，当时准备用手机的重力感应器来做，结果悲剧了。有兴趣的朋友请回顾“悲剧的一周”。俗话说的好，从哪里摔倒，就从哪里爬起来，这几天看了Lego高手Robin同学的视频，模仿搭了一个小人，改天有空再继续写代码。

两轮平衡小人

话说这种两轮小车，大家一般都叫它Segway，查了下才知道这是一款产品，据说美国的那个小布什是它的粉丝，连中国的特警也喜欢玩这个：

中国特警是在过家家吗？

这个玩意儿其实没有看上去的那么容易玩，驾驶员（姑且这么称呼）通过调节身体的倾斜角度，以此来控制Segway的速度和方向。看看布什小朋友是怎么摔倒的：

乔治.狗啃屎.布什

最后，建议小朋友们最好不要玩这个东东。第一是因为这个家伙价格不菲，第二是因为它确实有危险。最悲剧的莫过于Segway公司的CEO，此人在悬崖边玩自家产品，不幸坠河身亡，可惜了数亿美元的家产。所以大家还是自己搭个小车玩玩就好。

最近收到网友的邮件，说论坛上全是广告。说来惭愧，因为一直没时间打理，论坛都快被我遗忘了。没想到还有朋友关心这个论坛，非常感谢啊。

关于广告的事情，真是气死人，神马验证码都全是浮云。我严重怀疑这些广告是人肉灌水机发的，赚这5毛钱至于嘛

废话不说了，今天按照网上的攻略修改了点代码，另外加了几个验证问题。期望的效果是来这个论坛的朋友们可以轻松回答，而五毛党们不太搞的定：

验证问题

中午吃饭的时候聊起验证码，我们几个无聊的程序员们想了几个题：
1.自然对数e的小数点后第100位是多少？
2.公元3000年1月1号的农历是几号？
3.一亿的阶乘，转成2进制的话，后面有多少个连续的0？

嗯，如果用这些验证问题，我估计应该不会出现广告了

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：

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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”