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標(biāo)題: 自平衡小車的入門 [打印本頁]

作者: 51黑ww 時(shí)間: 2016-4-11 14:22
標(biāo)題: 自平衡小車的入門
一、引言

2014年10月18日開始接觸到自平衡小車，于是就有了DIY自平衡小車的沖動(dòng)了，于是在網(wǎng)上看到很多有關(guān)自平衡小車的帖子，在淘寶上也發(fā)現(xiàn)有很多現(xiàn)成的套件或相應(yīng)的部件，這些豐富的資源極為凌亂，讓新入行的人很難決策、不知如何下手。正如當(dāng)下的社會(huì)一樣，專家太多，而且各種專家的見解相同，甚至意見相左，弄得新入行的人更不知道怎么辦了。

首先聲明，我不是什么專家，只是一個(gè)過來人，走過的路多一些、時(shí)間長一些，遇到的挫折也多一些而已，所以有點(diǎn)自己的體會(huì)。特別是接觸到現(xiàn)在的很多年輕人，再加上我自己也是剛剛接觸自平衡小車，就有些想要說的話了，但確沒有要說的具體對象，于是就在此瞎說一通，有不對的地方，請廣大的“xx友”予以斧正！

做自平衡小車是要花錢、花精力的，很多新人還是學(xué)生，還沒有收入，所以在花錢這方面就更猶豫了，特別是淘寶上介紹的什么價(jià)位的東西都有，好的東西貴，便宜的東西又怕不靠譜。其實(shí)，對于真正的發(fā)燒友來說，錢是次要的，他們的經(jīng)驗(yàn)都是靠前期花費(fèi)的銀子積累起來的，別看他們有了經(jīng)驗(yàn)之后，往往花點(diǎn)小錢就能解決大問題。關(guān)于花錢我也是一樣，換個(gè)手機(jī)、吃頓飯很隨便，錢花得多了去了，但是要買點(diǎn)這些東西就算計(jì)來算計(jì)去，一點(diǎn)小錢都要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)來回比較，哪怕運(yùn)費(fèi)貴兩塊錢都不愿意。我雖然做了一個(gè)這樣不起眼的小東西，現(xiàn)在來看直接成本能控制在100元以內(nèi)，但我前期來回折騰的錢統(tǒng)計(jì)了一下有1121.15元。所以這里介紹一些東西的目的，也是讓還未有收入來源的學(xué)生們花點(diǎn)小錢積累更多一些的經(jīng)驗(yàn)，從而提高“投入產(chǎn)出”比，我就當(dāng)作你們前面的探路者之一吧。

想做自平衡小車的我接觸的有下面幾類人群：

1、好奇，看到這個(gè)很神奇，而且有那么多人都做成了，我也是學(xué)了這么多年了，也會(huì)不少東西了，所以我也要做一個(gè)；
2、想通過這個(gè)自平衡小車學(xué)單片機(jī)；
3、自己學(xué)的專業(yè)與此相關(guān)，所以想拿他開刀，來練練手；
4、還有就是我這樣的人，沒事干，又有點(diǎn)“經(jīng)驗(yàn)”，拿它來消磨時(shí)間，填補(bǔ)自己的空虛。

無論是哪類人群，如果是第一次上手，請都不要輕敵，當(dāng)然也不排除一次就蒙成功了的，東西是做出來了，但我想從中學(xué)到的東西是不會(huì)太多的。
還有很多新人都認(rèn)為算法最復(fù)雜，也是最為困難的部分，其實(shí)我的看法是這部分恰恰是很簡單的部分，如果前期障礙都解決了（譬如，買了一套現(xiàn)成的小車底盤，和一些參考資料），剩下的還真就是簡單的編寫（其實(shí)大部分也是抄來的）程序、調(diào)整一下參數(shù)，就成功了，其結(jié)果就是照葫蘆畫了個(gè)瓢！
如果，沒解決前期問題，就像很多人一樣，怎么調(diào)參數(shù)都調(diào)不好，因?yàn)樗麄冎恢莱绦蚝退惴ǎ恢赖木筒蝗シ治龊拖朕k法知道，想辦法去解決，就在沒問題的部分瞎折騰。這是我想起一個(gè)寓言：就是燈下找鑰匙，一個(gè)人看到另外一個(gè)人晚上在路燈下找東西，就問他，你找什么東西啊？那個(gè)人說，我找鑰匙。你的鑰匙是掉在這兒嗎？他說不是掉在這兒。那你為什么要在這兒找呢，他說因?yàn)檫@兒有燈，看得見，別的地放沒亮光，我看不見。

想做還沒做的你們有些什么樣的想法和看法呢？

下面給新人如何交流技術(shù)問題提個(gè)建議：

技術(shù)問題交流不能像日常生活中大媽們對話那樣（這也是網(wǎng)絡(luò)聊天的模式），簡短的幾個(gè)詞就能表達(dá)的，就像我們單位的年輕人說話方式一樣，問他某項(xiàng)工作的情況，他就會(huì)說一句，沒問題或者說不行，話要是能這樣簡單說下就能很好交流的，要么是相當(dāng)?shù)母呤郑词窃谝黄鹕盍藥资甑膬煽谧印?br />
你們說行和不行，都要說清楚（注意這里的清楚二字，很多人話是說不清楚的），做了哪些工作，是怎么做的，現(xiàn)象是怎樣的，最好是有圖有數(shù)據(jù)，不要自己就給出一個(gè)結(jié)論來，因?yàn)橹暗挠行┕ぷ鞑坏轿唬踔劣绣e(cuò)誤，這個(gè)結(jié)論是不靠譜的，結(jié)論是由聽者自己來下的，而不是由說者告訴聽者！！！

有些人，想問的問題也說不出來（的確有人知道，說不出來，還有些人能說出來，卻寫不出來），這時(shí)候你們最好上照片，上圖吧，圖文并茂的表達(dá)。

二、PID那點(diǎn)事

關(guān)于PID的算法，網(wǎng)絡(luò)上資料很多，也有各種通俗易懂的解釋，我這里想給大家一個(gè)只要具有初中數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)的人，就能明白的一種不甚嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模菀桌斫獾囊环N解釋方法。
先給出一個(gè)典型的PID算法框圖，如下圖：

我這里先將此圖簡化為僅剩P控制部分的框圖，至于其他的I和D部分，最后僅用兩句話解釋一下就行了，再也無需太多的解釋了。

比例調(diào)節(jié)的公式是：u(t) = Kp * e(t)，e(t) = r(t) – c(t)
其中：r(t) 是設(shè)定值，就是你想讓被控系統(tǒng)某個(gè)參數(shù)所要保持的狀態(tài)值； c(t)是系統(tǒng)的這個(gè)參數(shù)的實(shí)際狀態(tài)值。

比例調(diào)節(jié)的過程就是即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，通過 Kp * e(t) 產(chǎn)生控制作用以減小偏差。理想的情況是有多大的誤差，通過這個(gè)調(diào)節(jié)作用之后，就能將誤差消除。但實(shí)際情況并非都是那么理想，Kp小了，修正不到位，Kp大了就會(huì)出現(xiàn)矯枉過正的現(xiàn)象。

對于自平衡小車來說，要控制的這個(gè)參數(shù)就是小車的傾斜角度，就是想辦法讓這個(gè)小車停在你所設(shè)定的角度上，這樣小車就能穩(wěn)定平衡了。

這樣我們就知道了，控制的作用就是想讓被控系統(tǒng)穩(wěn)定在你所設(shè)定的某個(gè)值上。拿小車的平衡來說就是讓小車的傾斜角度與其物理（就是小車不控制時(shí)，能夠自然穩(wěn)定）平衡角度一致，始終保持在這個(gè)傾斜狀態(tài)。

對于有些結(jié)構(gòu)比較好的小車，僅比例這一項(xiàng)，在沒有大的擾動(dòng)的情況下，的確就能穩(wěn)定的控制小車平衡。但往往情況并非這么理想，所以還要用到積分項(xiàng)I或微分項(xiàng)D。那么實(shí)際會(huì)出現(xiàn)小車來回?cái)[動(dòng)，或者始終往某個(gè)方向傾斜，造成小車往一邊跑，最后控制不住就倒地了。

先說說來回?cái)[動(dòng)的問題吧，來回?cái)[動(dòng)是不是就是小車有一定的傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，角速度是什么呢？角速度是不是就是角度的微分（有點(diǎn)超出初中的知識(shí)范圍了，還是改成初中能理解的語言吧，也就是說速度是不是在單位時(shí)間內(nèi)的位置差）。好了，我要不想讓他擺動(dòng)，是不是控制這個(gè)角速度為0，是不是就不擺動(dòng)了。那么，我們增加D項(xiàng)，就能達(dá)到這個(gè)目的，雖然不是絕對的解決，但還是明顯的改善了很多的。

下面接著說始終往一邊偏的問題，如果能不往一邊偏，僅來回?cái)[動(dòng)，也就是這個(gè)角度一會(huì)大、一會(huì)小，一會(huì)正、一會(huì)負(fù)，經(jīng)過積分（又超出范圍了，長時(shí)間的角度求平均），這個(gè)角度平均值幾乎是0，如果往一邊偏的話，這個(gè)平均值就是某個(gè)不為0的值了，這是我們加上I項(xiàng)就能克服這個(gè)問題了。

啰里啰嗦的說多了，打字也打累了，趕緊總結(jié)一下結(jié)束吧。

PID控制：對于角度環(huán)來說：P是消除角度的誤差，I是消除角度累積的誤差，D是消除角度變化率（角速度）的誤差；同理，對于速度環(huán)來說：P是消除速度的誤差，I是消除速度累積（位置）的誤差，D是消除速度變化率（加速度）的誤差。

三、方案選擇

經(jīng)歷過項(xiàng)目開發(fā)的人員都知道，第一個(gè)首要任務(wù)就是要進(jìn)行需求分析，這個(gè)需求是要認(rèn)真分析的，因?yàn)樾枨蟛皇且粋€(gè)單一不變的變量，更不是一個(gè)不變的常量。他是在一定的范圍和一段時(shí)間內(nèi)都要符合你的需求，滿足你的需要。在做這個(gè)小車時(shí)，個(gè)人的需求也符合馬斯洛的需求層次理論的。在需求分析中最重要的是要列出那些相互矛盾的方面，并且要根據(jù)自己的核心需求進(jìn)行合理和有效的舍取。

那么我這里提出的自平衡小車入門，也是要滿足一組特定的需求，現(xiàn)將其羅列如下：
1、投入的經(jīng)費(fèi)要低；
2、小車要能很好的實(shí)現(xiàn)平衡，而且是要在一定的控制下實(shí)現(xiàn)的自平衡，而不是那種不倒翁式的平衡（結(jié)構(gòu)本身就具有的能力）；
3、盡量像那些大神們一樣，也能控制它前后運(yùn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；
4、門檻要低，就是容易成功，而不是折騰得“要死的心都有了”（有些網(wǎng)友在調(diào)試過程中發(fā)出的感慨）；
5、從中能提高自己的動(dòng)手能力、提高分析和解決問題的能力；
6、能對大家覺得神奇的PID有深刻的體會(huì)。

自平衡小車無論什么方案都有以下幾個(gè)部分：一是檢測平衡狀態(tài)所用的傳感器；二是控制核心的處理器；三是執(zhí)行控制動(dòng)作的電機(jī)。

傳感器有加速度、陀螺組合的，有用超聲波測距的，還有用紅外測距的；

處理器流行的有用STM32系列的，有用Arduino開源的，也還有人用最傳統(tǒng)的51系列的；

電機(jī)有用帶AB相測速輸出的強(qiáng)動(dòng)力的電機(jī)，也有用步進(jìn)電機(jī)，還有用舵機(jī)的，也有用低廉的TT馬達(dá)（俗稱香蕉電機(jī)）。

根據(jù)上述的入門需求，我這里提供的入門方案配置如下：超聲波測距傳感器 + Arduino Nano控制模塊 + TT馬達(dá)（L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊） + 7.4V/2200mAh鋰電池 + 藍(lán)牙串口無線模塊。

這個(gè)方案的核心優(yōu)點(diǎn)（除了成本低之外）是超聲波測距模塊，抗干擾強(qiáng)，不像MPU6050極容易受干擾（電磁干擾和安裝位置敏感性的機(jī)械干擾），關(guān)于MPU6050的問題，大家可以在網(wǎng)絡(luò)上看看一些新手們的煩惱（死機(jī)、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等等）。

這個(gè)方案遭人詬病的是，“超聲波測距的自平衡小車不能爬坡、不能在斜坡上平衡”，首先這里所說的不能爬坡和不能在斜坡上平衡說法本身就極為不準(zhǔn)確，這是網(wǎng)絡(luò)上說話不靠譜的通病，其實(shí)他們想要表達(dá)的是在坡度變化的地方，超聲波測距方式的自平衡小車不是實(shí)現(xiàn)平衡控制。這種說法的人只是憑自己想當(dāng)然的一種臆斷，沒有任何實(shí)際的根據(jù)，根據(jù)我的實(shí)踐，這個(gè)問題通過速度環(huán)的控制是完全能夠解決的。其實(shí)爬坡的關(guān)鍵點(diǎn)，是看你的電機(jī)性能如何，而不是別的什么。

在這里補(bǔ)充說明一點(diǎn)，有很多人想用這個(gè)作為學(xué)習(xí)單片機(jī)的平臺(tái)，這個(gè)想法我個(gè)人覺得有點(diǎn)反了，要學(xué)單片機(jī)，這個(gè)平臺(tái)太局限了，選擇別的可能要更合適一些。

前面這三節(jié)都是務(wù)虛的，從下面開始逐漸深入到實(shí)處，有些東西因?yàn)樯婕暗饺腴T，可能寫得也啰嗦一些了，因?yàn)橛行┚W(wǎng)友真的是一點(diǎn)基礎(chǔ)（概念）也沒有、從未動(dòng)過手，但還是很執(zhí)著的想做這個(gè)，為了照顧他們，會(huì)的人一是忍忍，另一方面也幫助幫助那些需要幫助的人吧！

四、硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)方案的框圖，首先分別介紹各模塊，由于這里主要是討論自平衡小車，而不是學(xué)習(xí)單片機(jī)，所以與自平衡小車關(guān)系不大的單片機(jī)使用以及程序部分就不擬討論了。按照框圖順序和硬件調(diào)試步驟，首先介紹的是超聲波測距模塊。

4.1、超聲波測距模塊
我們選擇的超聲波測距模塊型號(hào)是：新款HC-SR04超聲波測距模塊。

這個(gè)模塊的淘寶鏈接是：

推薦用這種

不推薦用這種，就是圖中紅色區(qū)域有個(gè)4MHz的晶體

它的特點(diǎn)，我從賣家那里摘抄部分信息如下：

新款提升了IC性能，因晶振受低溫環(huán)境影響，頻率容易發(fā)生漂移。所以去掉了晶振。比帶晶振的穩(wěn)定很多，此型號(hào)為原廠原裝型號(hào)，市場上大部分4塊多錢的HC-SR04帶晶振的那種，都是仿品性能不穩(wěn)定！（通過我買的幾種對比，情況的確如此，有些精度更高的，近距離運(yùn)用時(shí)，效果更差）

（1）主要技術(shù)參數(shù)
工作電壓：DC5V
靜態(tài)電流：小于2mA
電平輸出：高電平5V、低電平0V
感應(yīng)角度：不大于15度
探測距離：2cm ~ 450cm
精度：可達(dá)0.3cm

（2）接線方式
VCC（電源正端）可用杜邦線接Arduino Nano模塊的5V端；
GND（地）接Arduino Nano模塊的GND；
Trig（控制端）接Arduino Nano模塊的D4；
Echo（接收端）接Arduino Nano模塊的D5。

（3）工作原理：
采用IO觸發(fā)測距，給Trip控制端至少10us的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；如有信號(hào)返回，通過Echo輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

測試距離 =（高電平時(shí)間 * 聲速）/ 2。

測試原理圖

測試接線照片

//超聲波測距模塊測試程序
char val='z'; //調(diào)節(jié)與控制命令字
unsigned int TrigPin = 4, EchoPin = 5, Len_Echo = 0; //HC-SR04觸發(fā)信號(hào)，回波檢測，回波時(shí)間
unsigned long systime0; //上次系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)前時(shí)間

//初始化
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(EchoPin, INPUT); //超聲波測距
  pinMode(TrigPin, OUTPUT);
  digitalWrite(TrigPin, LOW);
  systime0 = millis(); //讀取系統(tǒng)時(shí)間
}
//主循環(huán)程序
void loop() {
  if(millis() - systime0 >= 5){ //系統(tǒng)循環(huán)周期為5ms
systime0 = millis();
digitalWrite(TrigPin, HIGH); //發(fā)送超聲波測量觸發(fā)脈沖
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigPin, LOW);
Len_Echo = pulseIn(EchoPin, HIGH); //回波時(shí)間測量
if (Serial.available() > 0) {
   val = Serial.read();
   if(val == 'A') {
      Serial.println(Len_Echo); //超聲波測距輸出
   }
}
  }
}

使用串口調(diào)試助手（sscom42.exe）發(fā)送字符“A”命令讀取超聲波的測距值。

sscom42.zip (338.41 KB, 下載次數(shù): 25)

程序中超聲波的測量周期是5ms，一般超聲波測距的測量周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)值，但在小車平衡中，這個(gè)值不能太大，否則是不能穩(wěn)定控制住小車平衡的。

串口測試界面如下圖所示：

注意：串口號(hào)選擇要正確，比特率要與程序中的一致（此處為115200），這里為了方便，串口輸出的是字符串，發(fā)送的命令是“A”，圖中用了100ms間隔的定時(shí)發(fā)送。

曬曬做自平衡小車過程中我所花費(fèi)的清單：

4.2、自平衡小車供電

本想講控制板輸出后的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，后來一想，沒有電，這個(gè)模塊怎么驅(qū)動(dòng)呀，所以接下來先說說自平衡小車的供電吧。
我們這里因?yàn)檫x用的是TT馬達(dá)，它的工作電壓網(wǎng)上給出的是DC3~6V，6V時(shí)的空載電流小于200mA，為了不頻繁的充電，我們選用容量大一點(diǎn)的7.4V鋰電池，其容量為2200mAh。在網(wǎng)上搜了一家性價(jià)比還不錯(cuò)的淘寶店鋪，鏈接如下（注意，東西最好一次買齊，有備份的更好）：

充電器：

連接線：

下面給出這個(gè)自平衡小車電池供電的電路原理圖。

BT為7.4V鋰電池，CB為充電接口。電池通過開關(guān)S1分別給Arduino Nano模塊和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。這個(gè)原理圖沒什么可說明的，照著連接，別接錯(cuò)了，正負(fù)別接反了就沒問題。

4.3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，我們選擇最常用的，價(jià)格低廉的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，這個(gè)模塊可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，正好適用我們的需求。直接給出淘寶鏈接如下：

你們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，有很多東西，你怎么都推薦這家呢，首先聲明，我跟他們一點(diǎn)關(guān)系都沒有，我之所以選這家，是在價(jià)格合理的情況下，盡量在這一家把東西買齊，這樣你們就會(huì)少花費(fèi)運(yùn)費(fèi)了，可以節(jié)約點(diǎn)小錢。

該模塊是2路的H橋驅(qū)動(dòng)，所以可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，在自平衡小車中通常利用ENA、ENB使能端輸入控制兩個(gè)電機(jī)的PWM信號(hào)，分別控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；利用IN1、IN2輸入控制電機(jī)1的方向；利用IN3、IN4輸入控制電機(jī)2的方向。其控制邏輯表如下：

電路原理圖如下：

這個(gè)電路原理其實(shí)也沒什么可說的，但有些新手憑自己的想當(dāng)然，要么用Arduino Nano模塊的5V接到L298N模塊的5V（看清楚，L298N的5V是輸出，不是輸入）。有明白不能接這里的，他接到L298N模塊的VIN，Arduino Nano模塊的5V提供不了大電流，這種接法如果是負(fù)載重點(diǎn)（電機(jī)工作電流比較大時(shí)），無異于將Arduino Nano模塊的5V短路（效果差不多，就是燒掉了）。再明白一點(diǎn)的人將L298N的Vin和GND接到7.4V的電池或其他外部獨(dú)立供電的電源上，但告訴我程序控制不了電機(jī)，電機(jī)不轉(zhuǎn)，其原因是什么呢？他的Arduino Nano模塊是通過USB接口供電的，Arduino Nano模塊與L298N模塊沒有共地，這一切看似簡單的問題，在有些新手那里就是百思不得其解，這些問題他們因?yàn)椴恢涝颍砸蔡岵怀鰡栴}，好在看到現(xiàn)場接線的照片，還能幫著分析分析，有些問題你如果不在現(xiàn)場真是你想不到的狀況。
還有的人也會(huì)檢查，用電壓表測輸出給電機(jī)的電壓，但是怎么測的呢？他是分別測量OUT1~OUT4對GND的電壓。這個(gè)說明他們不知道H橋是怎么回事，也不知道電機(jī)上的電壓是什么。
L298N模塊拿到手后，在用程序測試之前，先直接加電測試確定模塊是否正常。測試方法是給VIN與GND之間加上工作電壓，IN1~IN4、ENA、ENB按照控制邏輯表加信號(hào)，看看OUT1-OUT2和OUT3-OUT4之間的電壓是否正常，不同的控制情況下，這個(gè)電壓的極性是否會(huì)反轉(zhuǎn)。如果一切正常進(jìn)入程序測試階段。
下面給出測試程序，包含了前面的超聲測距的程序。

//藍(lán)牙遙控?zé)o碼盤，TT馬達(dá)超聲自平衡小車硬件單元測試程序
char val='z'; //調(diào)節(jié)與控制命令字
int Left_PWM, Right_PWM; //左右電機(jī)PWM輸出
unsigned int TrigPin = 4, EchoPin = 5, Len_Echo = 0; //HC-SR04觸發(fā)信號(hào)，回波檢測，回波時(shí)間
unsigned int M_IN1 = 6, M_IN2 = 7, M_IN3 = 8, M_IN4 = 9; // L298:IN1-IN4
unsigned int M_ENA = 10, M_ENB = 11; // L298:ENA-ENB
unsigned long systime0; //上次系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)前時(shí)間

//電機(jī)輸出
void SetMotorVoltage(int Left_MotorVol, int Right_MotorVol) {
  if(Left_MotorVol >= 0) {
digitalWrite(M_IN1, LOW);
digitalWrite(M_IN2, HIGH);
  }else {
digitalWrite(M_IN1, HIGH);
digitalWrite(M_IN2, LOW);
Left_MotorVol = -Left_MotorVol;
  }
  if(Right_MotorVol >= 0) {
digitalWrite(M_IN3, LOW);
digitalWrite(M_IN4, HIGH);
  }else {
digitalWrite(M_IN3, HIGH);
digitalWrite(M_IN4, LOW);
Right_MotorVol = -Right_MotorVol;
  }
  if(Left_MotorVol > 255) Left_MotorVol = 255; //防止PWM值超過255
  if(Right_MotorVol > 255) Right_MotorVol = 255; //防止PWM值超過255
  analogWrite(M_ENA, Left_MotorVol);
  analogWrite(M_ENB, Right_MotorVol);
}

//初始化
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(M_ENA, OUTPUT); //電機(jī)控制
  pinMode(M_IN1, OUTPUT);
  pinMode(M_IN2, OUTPUT);
  pinMode(M_ENB, OUTPUT);
  pinMode(M_IN3, OUTPUT);
  pinMode(M_IN4, OUTPUT);
  pinMode(EchoPin, INPUT); //超聲波測距
  pinMode(TrigPin, OUTPUT);
  digitalWrite(TrigPin, LOW);
  systime0 = millis(); //讀取系統(tǒng)時(shí)間
}
//主循環(huán)程序
void loop() {
  if(millis() - systime0 >= 5){ //系統(tǒng)循環(huán)周期為5ms
systime0 = millis();
digitalWrite(TrigPin, HIGH); //發(fā)送超聲波測量觸發(fā)脈沖
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigPin, LOW);
Len_Echo = pulseIn(EchoPin, HIGH); //回波時(shí)間測量
SetMotorVoltage(Left_PWM, Right_PWM);
if (Serial.available() > 0) {
   val = Serial.read();
   if(val == 'A') {
      Serial.println(Len_Echo); //超聲波測距輸出
   }
   if(val == 'B') {
      Left_PWM ++; Serial.print(Left_PWM); Serial.print("       "); Serial.println(Right_PWM);//左電機(jī)加速
   }
   if(val == 'b') {
      Left_PWM --; Serial.print(Left_PWM); Serial.print("       "); Serial.println(Right_PWM);//左電機(jī)減速
   }
   if(val == 'C') {
      Right_PWM ++; Serial.print(Left_PWM); Serial.print("       "); Serial.println(Right_PWM);//右電機(jī)加速
   }
   if(val == 'c') {
      Right_PWM --; Serial.print(Left_PWM); Serial.print("       "); Serial.println(Right_PWM);//右電機(jī)減速
   }
}
  }
}

4.4、藍(lán)牙串口模塊

藍(lán)牙串口模塊相對比較簡單，按照給的資料就能使用了，之所以選擇這款藍(lán)牙模塊，是因?yàn)檫B接過程中不出任何信息，這樣就不會(huì)產(chǎn)生各種干擾你程序的信息了。

賣家介紹也很詳細(xì)，我這里就不啰嗦了。賣家提供的資料和配置軟件（很好用）。

4 藍(lán)牙.zip (1.38 MB, 下載次數(shù): 14)

下面給出與Arduino Nano模塊的接線原理圖。

這里要說明的一點(diǎn)是，如果要用Arduino Nano模塊USB的串口，藍(lán)牙串口就不能用，二者只能用其一。所以藍(lán)牙串口也是用插座的，這樣不用時(shí)，就可拔下來。因?yàn)檫@兩者在硬件是用了單片機(jī)的同一個(gè)串口。

5、材料清單

超聲自平衡小車材料清單.zip (10.49 KB, 下載次數(shù): 16)

這個(gè)材料清單不含手動(dòng)遙控部分，如果簡單的控制，直接用手機(jī)就能控制，想做點(diǎn)復(fù)雜的控制可以用搖桿+Arduino模塊+藍(lán)牙+供電，自制一個(gè)兩通道比例遙控器，有需要的，以后再展開討論吧。

4.6、完整原理圖

五、結(jié)構(gòu)裝配

自平衡小車的裝配實(shí)際上很簡單，但關(guān)鍵是小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果小車的本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得好，自身就很容易平衡在某個(gè)角度，那么自平衡小車的平衡控制效果也就好，如果本身極不容易平衡，那么其控制效果也就要差一截，也就是網(wǎng)上很多人抱怨，在設(shè)定的平衡點(diǎn)不能穩(wěn)定不動(dòng)的保持平衡，總在晃動(dòng)或抖動(dòng)。

新手關(guān)心的都是些電路、程序、算法、參數(shù)（程序里的參數(shù)）之類的東西，小車的結(jié)構(gòu)也有很多參數(shù)，為什么就不關(guān)心呢？譬如重心、機(jī)械平衡點(diǎn)（這個(gè)詞我也不知道專業(yè)點(diǎn)怎么稱呼，意思是在沒有施加控制的情況下，小車平衡時(shí)的位置）。還有就是傳感器安裝的位置，因?yàn)閭鞲衅靼惭b位置不同，它對平衡感知的精確度和靈敏性也不同。

這里先貼上幾張我最新版的藍(lán)牙超聲自平衡小車裝配過程中和完成后的幾張照片，供大家參考一下，這也沒有什么設(shè)計(jì)，只是憑著感覺做的，我這方面的知識(shí)幾乎是零，沒有設(shè)計(jì)能力，但我知道有一些因素是很重要的。網(wǎng)絡(luò)上這方面的介紹也很少，希望學(xué)機(jī)械的同學(xué)們在這方面多思考一些，給大家提供一套設(shè)計(jì)思路和方案。

我這個(gè)加電的情況下，在某個(gè)角度是能勉強(qiáng)短時(shí)間內(nèi)保持平衡的。

下面發(fā)兩張群里網(wǎng)友裝配的兩張照片，我不知道他這個(gè)平衡情況如何，我問他機(jī)械平衡角度大概是多少，他也不知道，有沒有人知道更通俗或更準(zhǔn)確的這個(gè)術(shù)語，我也不知道是不是我表達(dá)得不準(zhǔn)確，造成別人不理解。

六、軟件設(shè)計(jì)

軟件這里直接上程序吧，很多參數(shù)值我并沒有給出我調(diào)試好的參數(shù)，其目的是希望你們不要囫圇吞棗式的干這件事，你們要根據(jù)你們自己搭建的小車平臺(tái)來確定自己程序的參數(shù)。整個(gè)程序除了前面的宏定義，不到100行，這些程序你們先看，弄明白了，再去調(diào)試。

//利用超聲波測距傳感器實(shí)現(xiàn)小車平衡
#define L_max 200
#define L_min 150
#define L_a 0.5
#define filter_init 10
#define L_t 20

byte val = 0x00; //調(diào)節(jié)與控制命令字
int i, LoopCount = 0; //平衡點(diǎn)調(diào)整，PID各調(diào)整設(shè)定系數(shù)
int E_0 = 0, E_1 = 0, PWM_Out, Left_PWM, Right_PWM; //誤差，PWM輸出，左右電機(jī)PWM輸出
double Kp = 0.0, Kd = 0.0; //PID系數(shù)
double Len_filter = 0, Len_0 = 180; //測距濾波，機(jī)械平衡距離
unsigned int TrigPin = 4, EchoPin = 5, Len_Echo = 0; //HC-SR04觸發(fā)信號(hào)，回波檢測，回波時(shí)間
unsigned int M_IN1 = 6, M_IN2 = 7, M_IN3 = 8, M_IN4 = 9; // L298:IN1-IN4
unsigned int M_ENA = 10, M_ENB = 11; // L298:ENA-ENB
unsigned long systime0; //系統(tǒng)時(shí)間

//電機(jī)輸出
void SetMotorVoltage(int Left_MotorVol, int Right_MotorVol) {
  if(Left_MotorVol >= 0) {
digitalWrite(M_IN1, LOW);
digitalWrite(M_IN2, HIGH);
  }else {
digitalWrite(M_IN1, HIGH);
digitalWrite(M_IN2, LOW);
Left_MotorVol = -Left_MotorVol;
  }
  if(Right_MotorVol >= 0) {
digitalWrite(M_IN3, LOW);
digitalWrite(M_IN4, HIGH);
  }else {
digitalWrite(M_IN3, HIGH);
digitalWrite(M_IN4, LOW);
Right_MotorVol = -Right_MotorVol;
  }
  if(Left_MotorVol > 255) Left_MotorVol = 255; //防止PWM值超過255
  if(Right_MotorVol > 255) Right_MotorVol = 255; //防止PWM值超過255
  analogWrite(M_ENA, Left_MotorVol);
  analogWrite(M_ENB, Right_MotorVol);
}

//初始化
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(M_ENA, OUTPUT); //電機(jī)控制
  pinMode(M_IN1, OUTPUT);
  pinMode(M_IN2, OUTPUT);
  pinMode(M_ENB, OUTPUT);
  pinMode(M_IN3, OUTPUT);
  pinMode(M_IN4, OUTPUT);
  pinMode(EchoPin, INPUT); //超聲波測距
  pinMode(TrigPin, OUTPUT);
  digitalWrite(TrigPin, LOW);
  i = 0;
  systime0 = millis();
}
//主循環(huán)程序
void loop() {
  if(millis() - systime0 >= L_t) {
systime0 = millis();
digitalWrite(TrigPin, HIGH); //發(fā)送超聲波測量觸發(fā)脈沖
delayMicroseconds(15);
digitalWrite(TrigPin, LOW);
Len_Echo = pulseIn(EchoPin, HIGH); //回波時(shí)間測量
if((Len_Echo < L_max) && (Len_Echo > L_min)) {
   Len_filter *= L_a; //一階濾波
   Len_filter += (1 - L_a) * Len_Echo;
   i ++;
   if(i > filter_init){
      i = 100;
      LoopCount ++;
      E_0 = Len_0 - Len_filter;
      PWM_Out = Kp * E_0 + Kd * (E_0 - E_1);
      E_1 = E_0;
      Left_PWM = PWM_Out;
      Right_PWM = PWM_Out;
      SetMotorVoltage(Left_PWM, Right_PWM);
   }
}else {
   SetMotorVoltage(0, 0); //超出平衡范圍，停止PWM輸出
   i = 0; Len_filter = 0;
}
  }
  //處理串口指令，發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)
  if (Serial.available() > 0) {
val = Serial.read();
//參數(shù)調(diào)節(jié)
if(val == 0x01) Kp += 0.01;
if(val == 0x02) Kp -= 0.01;
if(val == 0x03) Kd += 0.01;
if(val == 0x04) Kd -= 0.01;
if(val == 0x05) Len_0 ++;
if(val == 0x06) Len_0 --;
if(val == 0x07) {
   Serial.print(Len_0); Serial.print("       ");
   Serial.print(Kp); Serial.print("       "); Serial.println(Kd); //查看設(shè)置參數(shù)
}
if(val == 0x08) {
   Serial.print(Len_filter); Serial.print("       "); Serial.println(PWM_Out); //
}
  }
}

源代碼下載：

v3.zip (3.04 KB, 下載次數(shù): 25)

七、調(diào)試

有些人急著等我帖子發(fā)完，現(xiàn)在把主要的內(nèi)容都發(fā)上來了，但剩下的卻是最為關(guān)鍵的調(diào)試，在調(diào)試之前你們一定要把前面的東西都消化吸收了，再進(jìn)行調(diào)試。這一部分我先不急著寫，希望跟大家互動(dòng)著一起來寫，這樣內(nèi)容才豐富，才有更針對性。

平衡調(diào)試完成的，請大家上照片和視頻，做完的，我提供藍(lán)牙超聲自平衡小車的遙控版源代碼，這個(gè)代碼暫時(shí)不在這里給出了。

7.1 接地問題

很多網(wǎng)友在做自平衡車時(shí)都遇到各種干擾，無法解決，同樣的原理圖和程序，怎么就不行呢？！用人家現(xiàn)成的電路板沒問題，自己用模塊搭建就不行了。

今天就講講接地問題，網(wǎng)上有現(xiàn)成的，我直接抄過來（http://wenku.baidu.com/link?url= ... a_zHzlfXLHOrvhCXKDm）。

單點(diǎn)接地有兩種類型，一種是串聯(lián)單點(diǎn)接地，另一種是并聯(lián)單點(diǎn)接地。

串聯(lián)單點(diǎn)接地中，許多電路之間有公共阻抗，因此相互之間由公共阻抗耦合產(chǎn)生的干擾十分嚴(yán)重。

串聯(lián)單點(diǎn)接地的干擾：

A點(diǎn)的電位是：VA = ( I1 + I2 + I3 ) R1

A點(diǎn)的電位是：VB = ( I1 + I2 + I3 ) R1 + ( I2 + I3 ) R2

C點(diǎn)的電位是： VC = ( I1 + I2 + I3 ) R1 + ( I2 + I3 ) R2 + I3 R3 從公式中可以看出，A、B、C各點(diǎn)的電位是受電路工作電流影響的，隨各電路的地線電流而變化。尤其是C點(diǎn)的電位，十分不穩(wěn)定。

這種接地方式雖然有很大的問題，卻是實(shí)際中最常見的，因?yàn)樗趾唵巍５诖蠊β屎托」β孰娐坊旌系南到y(tǒng)中，切忌使用，因?yàn)榇蠊β孰娐分械牡鼐€電流會(huì)影響小功率電路的正常工作。另外，最敏感的電路要放在A點(diǎn)，這點(diǎn)電位是最穩(wěn)定的。另外，從前面討論的放大器情況知道，功率輸出級要放在A點(diǎn)，前置放大器放在B、C點(diǎn)。

以上是網(wǎng)絡(luò)上直接復(fù)制的內(nèi)容，下面說幾句多余的話，沒有動(dòng)過手的新人，接觸實(shí)際的東西很少，這個(gè)時(shí)代更是如此，從小就在虛擬環(huán)境下成長，教育也是如此的一個(gè)虛擬環(huán)境，初中學(xué)習(xí)物理時(shí)，很多例子、練習(xí)題都有一個(gè)括號(hào)，（……忽略不計(jì)），這些忽略的經(jīng)常有電池內(nèi)阻、燈泡電阻不變、導(dǎo)線電阻忽略不計(jì)以及力學(xué)中一些摩擦力忽略不計(jì)等等，這些都是嚴(yán)重的誤導(dǎo)，導(dǎo)致現(xiàn)在很多大學(xué)生畢業(yè)工作多少年了，還問燈泡為什么不能串起來接（當(dāng)然，你串起來接也不會(huì)死人的，也出不了什么大事）……

有些人還很固執(zhí)，你告訴他原因了，他還不信，對于這種人你就自己接著折騰吧！

所以，在此告訴那些使用現(xiàn)成模塊的新人，確實(shí)很方便，但整體的（不是模塊單獨(dú)本身）電磁兼容方面是有很大隱患的。

回到做自平衡小車上來，電機(jī)的啟動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)的切換都會(huì)帶來很強(qiáng)的脈沖干擾（電機(jī)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢），對于那些高速器件，或者時(shí)序要求很嚴(yán)的器件來說就是一個(gè)很主要的干擾源。

藍(lán)牙串口調(diào)試助手，怎么使用，自己摸索！！！

藍(lán)牙串口 5.4.2.zip (1.49 MB, 下載次數(shù): 19)

藍(lán)牙串口調(diào)試助手的使用與Arduino怎么編程沒有關(guān)系，只與你程序用了什么樣的命令有關(guān)系，這些命令集就是最簡單的一種通信協(xié)議。

八、測試總結(jié)

總結(jié)這部分，我就寫個(gè)說明，這個(gè)說明就是希望總結(jié)由實(shí)踐者們來寫吧！！！

作者: 51黑ww 時(shí)間: 2016-4-11 14:40
“世界單片機(jī)菜鳥組織” —— 51版超聲自平衡小車項(xiàng)目

一、小車底盤

小車挺精致的吧！

手機(jī)藍(lán)牙重力感應(yīng)控制超聲自平衡小車程序

WJY_DIY_4.zip (521.41 KB, 下載次數(shù): 22)

“世界單片機(jī)菜鳥組織” —— 51版超聲自平衡小車項(xiàng)目進(jìn)展二

作者: 淺若清風(fēng) 時(shí)間: 2016-5-20 13:25
樓主說得對，頂！d=====(￣▽￣*)b file:///C:/Users/120/AppData/Local/Temp/SGPicFaceTpBq/4968/10087CD1.gif

作者: TJCL1451681 時(shí)間: 2017-6-6 18:55
為什么沒人評論呢，我感覺寫的很好啊，竟然沒人做嗎，我想問下最夠那個(gè)調(diào)節(jié)PID 的程序沒太看懂，if(i > filter_init)，這個(gè)i一直是1啊，這個(gè)判斷進(jìn)不去啊，循環(huán)一遍，下面還有i=0，還是進(jìn)不去啊

作者: TJCL1451681 時(shí)間: 2017-6-7 16:14
還是那個(gè)程序，我發(fā)現(xiàn)了else的位置，所以可以運(yùn)行，但是len_filter很大啊，循環(huán)了20次后，還是不明白，而且調(diào)試的時(shí)候，每次都要重新調(diào)節(jié)kp和kd嗎？那個(gè)E0是誤差，應(yīng)該是和len_echo的差啊，為什么是len_filter呢，而且E1有什么用呢，還有l(wèi)oopcount，雖然可以調(diào)節(jié)運(yùn)行小車，但程序還是不懂

作者: TJCL1451681 時(shí)間: 2017-6-7 23:06
做了三天，鋼調(diào)好一點(diǎn)，模型還是很丑，不過已經(jīng)改了好幾次了，比前面強(qiáng)多了，最后pid參數(shù)調(diào)的還不是很好，小車還不是很穩(wěn)，不過已經(jīng)很開心了

IMG_20170607_222742.jpg (3.91 MB, 下載次數(shù): 154)

IMG_20170607_222725.jpg (3.16 MB, 下載次數(shù): 149)

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IMG_20170607_222624.jpg (4.01 MB, 下載次數(shù): 148)

作者: TJCL1451681 時(shí)間: 2017-6-7 23:08
怎么上傳視頻啊，不能分享啊，我自己拍的

作者: admin 時(shí)間: 2017-6-7 23:14

TJCL1451681 發(fā)表于 2017-6-7 23:08
怎么上傳視頻啊，不能分享啊，我自己拍的

樓主是不是視頻超過20m了，有優(yōu)酷等平臺(tái)的地址嗎？

作者: 1217205590 時(shí)間: 2017-7-31 20:54
樓主做得挺好的，只是現(xiàn)在好多做平衡小車的都去其他論壇了，所以你的帖子被埋沒了，我也是今天第一次在這里找平衡小車的。

作者: 風(fēng)的輕歌 時(shí)間: 2017-11-15 19:55
樓主加油！

作者: 單片機(jī)小菜雞 時(shí)間: 2018-1-13 16:32
太厲害啦！！

作者: 昆明曾誠 時(shí)間: 2018-2-7 15:18
挺詳細(xì)的教程，

作者: zhao1022 時(shí)間: 2018-3-28 09:29
很好，學(xué)到啦。自己會(huì)努力的。

作者: jack_xingjiao 時(shí)間: 2018-4-1 21:32
很用心了

作者: aking991 時(shí)間: 2018-4-3 10:14
用超聲波作平衡檢測，難度會(huì)大很多，如果能作成，也是不容易的人

作者: 18719179642 時(shí)間: 2018-4-6 20:46

TJCL1451681 發(fā)表于 2017-6-7 23:06
做了三天，鋼調(diào)好一點(diǎn)，模型還是很丑，不過已經(jīng)改了好幾次了，比前面強(qiáng)多了，最后pid參數(shù)調(diào)的還不是很好， ...

請問你這個(gè)可以前進(jìn) 后退左右轉(zhuǎn)嗎

作者: 18719179642 時(shí)間: 2018-4-6 20:48

aking991 發(fā)表于 2018-4-3 10:14
用超聲波作平衡檢測，難度會(huì)大很多，如果能作成，也是不容易的人

請問你知道樓主這個(gè)可以前進(jìn) 后退左右轉(zhuǎn)嗎

作者: 957723414 時(shí)間: 2018-4-21 01:19

希望對自己項(xiàng)目有作用，謝謝樓主的分享

作者: icgsgf 時(shí)間: 2018-4-21 14:52
那個(gè)。。。遙控的軟件有哪些

作者: MIA李 時(shí)間: 2018-7-26 16:55
想問樓主，咱們做自平衡車是不是在不通電物理狀態(tài)下就能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，？？？

作者: TTT96 時(shí)間: 2018-7-26 17:18
點(diǎn)贊點(diǎn)贊，太厲害了

作者: MIA李 時(shí)間: 2018-7-27 11:10
樓主。。你那個(gè)4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊那的程序是測試什么？實(shí)驗(yàn)效果是什么？

作者: MIA李 時(shí)間: 2018-7-27 15:09
樓主，
你程序中
Right_PWM --; Serial.print(Left_PWM); Serial.print("\t"); Serial.println(Right_PWM);//右電機(jī)減速
\t是什么意思啊？

作者: MIA李 時(shí)間: 2018-7-27 16:29
樓主，你那個(gè)手機(jī)apk怎么用啊

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