低成本、低檔自平衡小車歷程（超聲自平衡小車）

ID:113207 · 發表于 2016-4-11 02:04

第二階段目標：

如標題所述，真正的入門級平衡車，真的低成本，不用陀螺儀和加速度傳感器，用超聲波測距實現平衡的小車！！！
見 114# 介紹！！！

第一階段總結：
1# 第一版詳細資料。

42# MPU6050-DMP輸出穩定性測試，DMP每次啟動后均要20秒左右后角度輸出才穩定，使用者要注意此問題！！！

43# 第二版小車，硬件做了塊PCB底板，換了一個全光耦隔離的L298N模塊，這個版本做兩款軟件：一是單側碼盤測速，另一是用PWM輸出值取代測速碼盤，效果也不錯。

50# 藍牙手機控制助手，編寫了一個簡單的安卓控制平衡小車的程序。

56# 自平衡小車參數整定方法，針對前面一些經驗和教訓，總結了參數調整中的一些問題。

63# 不用MPU6050的DMP輸出，采用原始數據一階互補濾波解算角度，也不用PID庫，直接編寫PID計算，效率更高，穩定性與控制效果也更好。

65# 第三版源代碼，測試數據和最新視頻效果。

2014.12.4

以下為原1#貼內容

一、基本材料
1、Arduino Pro Mini模塊
2、CP2102模塊
3、MPU6050模塊
4、CH06藍牙模塊
5、L298N驅動模塊
6、測速傳感器模塊
7、小車底盤

二、硬件設計
1、Arduino Pro Mini + MPU6050測試驗證
Arduino Pro Mini模塊與MPU6050模塊的連線圖見前面圖片，即：SDA接A4，SCL接A5，VCC接VCC，GND接GND，INT接2。
下載：i2cdevlib-master（https://github.com/jrowberg/i2cdevlib）
****MPU6050庫的安裝方法*************************
a. 下載arduino編譯器，目前版本為1.0.5。
b. 下載MPU6050庫。進入“https://github.com/jrowberg/i2cdevlib”，點擊“zip”即可。
c. 安裝。將上一步下載的“I2Cdev”、“MPU6050”兩個文件夾拷貝到“arduino-1.0.5libraries”目錄下。
運行arduino可以在例子中看到MPU6050。OK！

2、硬件原理圖

Arduino-Pro-Mini-schematic.pdf (37.43 KB, 下載次數: 13)

其中D2S為外部中斷0的接線選擇：一種選擇是MPU6050的DMP方式，這種方式就只能用一個測速碼盤計數了；另一種選擇是用兩個測速碼盤計數，但不能用MPU6050的DMP方式。

三、軟件設計

1、源代碼

WJY_DIY_v1_2.rar (3.23 KB, 下載次數: 28)

2、說明
此處雖然用了速度PID，但這個的輸入是碼盤計數值，這個值其實不是速度，而是速度的累加，也就是速度的積分，所以其Sd、Sp這兩個參數分別對應于速度環的P系數和I系數，也就實現了速度環的比例和積分這兩項。

PID調節公式：PWMOut = KAp*angle + KAd*angle_velocity + KSp*speed + KSi*position

四、參數整定
1、先將 kp、ki、 kd、 sp、 si、sd 均設置為0；
2、先設定一個電機的起步補償值，因為這個之不同，就相當于使用了不同的電機，這個值的選擇，是根據你自己搭建完平臺后，通過測試左右電機的起步值和停止值，然后綜合考慮設定的，也沒什么理論指導，在起步和停止之間分別候選幾個，然后根據不同的補償值，在分別調整PID的系數，這樣優選一組即可；
3、逐漸增大 kp 使得小車剛剛來回擺動；
4、再逐漸增大 kd 使得小車的擺動消失，再繼續增大 kd 小車會出現抖動，適當減小 kd，使得小車相對平穩即可；
5、接下來調節 sd（注意不是 sp，理由見軟件設計的說明部分），使得小車能夠來回走動（不是擺動，也不是抖動）；
6、最后逐漸增大 sp，使得小車能夠相對穩定；
7、什么程度為好，自己花一定的時間慢慢摸索，就能逐漸體會到自己的一套“主觀”標準了！
8、最后一個參數也要注意，就是“抗積分飽和”值，這個值的選擇我感覺與 sp 的大小有關，自己摸索吧，這個值如果選擇太大會出現往一邊跑，最后跌倒在地；如果太小會很快倒地。

五、初步成果
1、靜態照片

2、運行曲線圖

3、視頻

六、問題及解決方案
1、電機性能測試
小車平臺裝配完畢，應測試一下，兩個電機的特性，測試程序如下：

WJY_DIY_test.rar (1.01 KB, 下載次數: 19)

用此程序分別測試兩個電機的啟動值和停止值，也可測量兩個電機的速差。

2、電機干擾問題
電機一起動，Arduino + MPU6050就無法工作，這個問題，在各論壇中均有提及，我這里采取的措施是，電機單獨用一塊7.4V的鋰電供電，并且L298N的所有控制線均用光耦隔離。

3、系統供電
除上述電機供電外，系統其他部分的供電絕不可僅用 Arduino Pro Mini 上的穩壓電源給其他部分供電， Arduino Pro Mini 上的穩壓電源輸出所能提供的電流有限，我這里僅用他給 MPU6050 模塊供電，藍牙串口模塊單獨用一個低壓差穩壓模塊給其供電。

七、參考資料
1、pz_cloud 的：做了一個小小的自平衡小車（更新完整版，附視頻）
http://www.geek-workshop.com/thread-5688-1-1.html
2、匠人的百寶箱：《自平衡兩輪車》講義 http://bbs.21ic.com/blog-24110-84728.html
3、求助：用MPU6050，L298N控制的平衡小車，運行1分鐘就死機，（含詳細代碼注釋！已上...
http://www.geek-workshop.com/thread-1548-1-1.html
4、MPU6050庫，https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

i2cdevlib-master.zip (295.46 KB, 下載次數: 13)

5、PID庫：

PID_v1.zip (7.47 KB, 下載次數: 19)

ID:113207 · 發表于 2016-4-11 02:09

我測速模塊燒了，今天修改了一下程序，用PWM的值取代測速碼盤，效果也不錯！
明天試另一方案：用6050模塊的加速度積分取代測速信號檢測，作為速度PID的輸入，看看效果如何？如果成功，下次在用6050的方位角信息來控制小車的兩輪均衡運轉，或者控制小車的轉向。
MPU6050-DMP輸出穩定性測試
在以往調節平衡小車的過程中，發現小車的平衡角不斷改變（不是物理的改變，而是測量結果的改變），造成的結果，就是小車往一邊跑，如果不及時修正角度設定值，小車就自己倒下了。
上兩張測試結果圖

從測試結果來看，傾斜角大約需要20多秒才能穩定下來，方位角雖然在20秒左右穩定下來了，但輸出始終在小幅漂移。

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新款的小車，做了塊PCB底板，換了一個帶六路光耦隔離的L298N模塊，上兩張圖片

PCB底板上安裝有：Arduino ProMini模塊、MPU6050模塊、藍牙模塊、低壓差5V穩壓、電池及充電線插座。

整機取消了測速碼盤，下面安裝了一組電池共底板上各部分供電，最上面的一組電池共L298N模塊供電。

擺動是在平衡之前，也就是開始你的小車用手扶著，松開就倒，但你逐漸增大Kp后，再松開手，就會發現它來回擺動了，這時就已經初步成功站立了，然后再逐漸增大Kd……

給自己的小車編了個簡單的安卓手機藍牙控制程序，先上界面（本人水平有限僅能做這種特簡單的界面）：

再上源程序和APK安裝程序

WJY_DIY_APK.rar (509.36 KB, 下載次數: 20)
開發工具軟件是：RFO_BASIC!
也是小巧好玩的東西，可以在手機上直接編程并運行！

Basic.rar (417.95 KB, 下載次數: 10)

Builder_APK.rar (670.89 KB, 下載次數: 15)

1.rar (7.97 MB, 下載次數: 17)

ID:113207 · 發表于 2016-4-11 02:50

自平衡小車參數整定方法

1、將Kp、Ki、Kd、Sp、Si、Sd均設為零。
2、用支架將自平衡小車支起，處于水平狀態。
3、在程序每次輸出小車實際角度的同時，輸出Arduino的系統時間[用millis()函數]，下載并運行程序用串口調試助手記錄系統時間與MPU6050的角度輸出，記錄足夠的數據后“保存窗口”數據，用Excel打開記錄的數據文件，觀察數據穩定時間。

4、確定完這個穩定時間后，將程序輸出恢復到原來狀態（去掉時間輸出部分），重新下載，去掉小車支架并啟動運行；將小車放置于一固角度位置，保持不動，觀察角度輸出數據是否穩定（這個時間必須大于第3步所測時間），待數據穩定后，用手扶著小車找其自然物理平衡角；通過串口工具輸出“G”或“g”將平衡設定角“setp0”設置到與小車的自然物理平衡角相一致。
5、這此之后小車的整定過程中不要斷電，始終保持運行狀態，逐步增加Kp，觀察小車的兩輪是否有抵抗角度變化的力量，如果不僅不能抵抗角度的變化，而是順著角度變化（增大角度的變化），則將順其變化的控制電機接線反過來接，再繼續下一步。
6、繼續增大Kp，小車會出現來回擺動，增大或減小Kp，使其擺動的幅度不導致小車傾倒為原則。
7、增大Kd，小車的擺動會逐漸減小，如果繼續增大Kd，小車會出現抖動現象，調節Kd，使其相對平穩（因為香蕉電機很難做到特別穩定）即可。
8、逐漸增加Sd（這里也要做個判斷，用手平推小車，小車是否有抵抗行為，如果沒有抵抗，而是順其運行，說明速度環控制方向反了），使得小車來回走動（不是擺動），然后增加Sp，使其來回走動逐漸減小，達到比較滿意即可。

注意：第四步必須做，否則小車往往就跑向一邊了！！！

自平衡小車參數調整方法.rar (181.72 KB, 下載次數: 18)

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今天參考了
Arduino 自平衡小車，制作經驗記錄與分享，愿有興趣人士，一起學習探討。
http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-48041-1.html
的帖子，根據自己小車的實際情況做了一些調整，完成了第3版的平衡小車，沒用使用MPU6050的DMP功能了，讀取原始數據采用一階互補濾波求角度，這樣可以用兩個中斷測量左右輪的速度了。
這個效果感覺更好，幾乎僅用一個Kp就能站立了，我測試了一下程序的整個運行周期，大概在3~4ms，這樣調整速度更快了，所以感覺效果好多了。
另外，由于碼盤一圈才20個孔，我才用電平變化測量方式，一圈也就計數40次，所以在一個周期這么短的時間內，速度計數幾乎為0，所以我是200ms左右測量一次速度。
讀取MPU6050的原始數據計算出來的角度幾乎啟動后就是穩定的數據，DMP方式要20秒左右才能穩定！！！

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第三版最新程序代碼：

WJY_DIY_v1_4.rar (2.16 KB, 下載次數: 14)
程序中增加了一個兩輪速度差修正系數Kdsp，由于我這個測速碼盤只有20孔，所以速度差檢測不太敏感，目前效果不明顯，要么增大速度差的采樣周期，但這樣反應也就變得很慢，先天硬缺陷，沒法與高端的相比。

測試記錄數據（500ms一個點）見下圖：

圖中紅色區域，可以看出，當小車實際角度偏離機械平衡點超過一定值（這個值由PID的調整輸出與電機的啟動閾限決定），由于快速的PID調整，即使是香蕉電機也能很快調整到新的平衡點。
詳細數據如下：

SAVE2014-12-4_17-57-30.rar (10.73 KB, 下載次數: 15)

最新視頻效果

WJY_DIY_v1_4_1.rar (2.2 KB, 下載次數: 15)

ID:127462 · 發表于 2016-6-20 20:01

學習，學習，學習謝謝

ID:136714 · 發表于 2016-8-14 07:36

學習，學習，學習謝謝

ID:140059 · 發表于 2016-9-21 18:18

學習，學習，學習謝謝

ID:140874 · 發表于 2016-9-29 14:18

給力啊超贊

ID:79544 · 發表于 2016-11-21 15:52

51hei學習發表于 2016-4-11 02:50
自平衡小車參數整定方法

1、將Kp、Ki、Kd、Sp、Si、Sd均設為零。

樓主。有51的就好啦。學習分享學習啦，再就是你的那個軟件怎么安裝和使用，謝謝！

ID:151483 · 發表于 2016-12-1 21:30

謝謝分享

ID:229378 · 發表于 2018-4-10 13:52

感謝樓主！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

ID:1022278 · 發表于 2022-5-18 14:08

51hei學習發表于 2016-4-11 02:09
我測速模塊燒了，今天修改了一下程序，用PWM的值取代測速碼盤，效果也不錯！
明天試另一方案：用6050模塊 ...

程序沒有啊

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