查看“自平衡小车/zh”的源代码

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==概述==
*项目名称：Microduino自平衡车
*目的：制作一台可以用遥控板控制的自平衡机器人小车
*难度：中
*耗时：2小时
*制作者：
*简介:
两轮自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统，是自动控制理论与动力学理论及技术相结合的研究课题，其关键问题是在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。本次教程我们使用Microduino产品模块快速搭建一个可以用遥控板控制的自平衡机器人小车，玩家可以迅速上手，并且看到小车运动和平衡的效果，玩家们可以在制作结束后，继续更深一步的智能控制部分的研究。
==材料清单==
*Microduino设备
{|class="wikitable"
|-
|模块||数量||功能
|-
|[[Microduino-Core+/zh]]||1||核心板
|-
|[[Microduino-USBTTL/zh]] ||1||下载程序
|-
|[[Microduino-nRF24/zh]] ||1||无线通信
|-
|[[Microduino-Robot/zh]] ||1||驱动连接地板
|-
|[[Microduino-Stepper/zh]] ||2||驱动步进电机
|}
*其他设备
{|class="wikitable"
|-
|模块||数量||功能
|-
|2.4G天线||1||2.4G通讯
|-
|固定支架||1||固定支撑
|-
|尼龙螺丝||4||固定
|-
|尼龙螺母||12||固定
|-
|电池盒 ||1||装载电池
|-
|电池 ||2||供电
|-
|Micro-USB数据线 ||1||串口通信，下载程序
|-
|车轴 ||2||连接车轮
|-
|车轮子 ||2||结构
|-
|步进电机 ||2||驱动车轮
|}
*Joypad材料
{|class="wikitable"
|-
|模块||数量||功能
|-
|[[Microduino-Core]]||1||核心
|-
|[[Microduino-nRF24]]||1||无线通讯
|-
|[[Microduino-Joypad]]||1||遥控器
|-
|[[Microduino-TFT]]||1||显示
|-
|[[Microduino-USBTTL]]||1||下载程序
|-
|锂电池 ||1||供电
|-
|亚克力面板||1||面板
|-
|尼龙柱 ||4||固定
|-
|长尼龙螺丝 ||4||固定
|-
|短尼龙螺丝 ||4||固定
|-
|尼龙螺母 ||4||固定
|-
|海绵板 ||1||固定
|}
==实验原理==
*PID原理
PID在自动控制领域有着极其重要的作用，作为最早实用化的控制技术已经有70多年的历史，近几年一些创客们自制的一些很酷的东西，如：四轴飞行器，自平衡车等等都离不开它的身影。 
首先了解什么是PID。PID实指“比例proportional”、“积分integral”、“微分derivative”，如果我们要求被控制的对象最终趋于一个稳定的结果，一般就可以使用PID算法。 
假设说，有一辆速度为1m/s的小车，我们要求他的速度改变为5m/s，要完成这样的一件事，我们必须要有： 
*小车驱动装置（用程序控制它输出多大的电压，电压决定驱动的马力）； 
*被驱动器控制的部分（即小车）； 
*检测当前速度的装置（当前速度与目标速度的差称为误差）；
本来，我们可以给小车一个驱动力让小车加速，直到检测到小车速度达到5m/s，撤去驱动力。但是，这样做会带来几个问题：
1)当小车速度达到5m/s时，从装置检测到这个速度，通知控制器，让控制器改变输出的电压，这一个过程需要耗费一定时间，在这个时间里面，小车速度可能增加了不少。 
2)撤去驱动力后，外界条件如摩擦会让小车速度进一步改变。 
然而，PID算法可以在一定误差内解决这些问题。 
使用PID算法时，大致是这样的。每一个采样周期，通过速度检测装置获得当前速度，传入程序，通过程序计算得到电压控制小车得到新速度。下一个采样周期又把新速度传入，获得新电压，再传入速度，再获得电压，如此反复。 PID算法的关键，是如何根据当前得到的速度值，输出一个“恰当”的电压，以致小车最终能够趋于稳定。 
PID算法采用比例，积分，微分(Proportion Integral Differential)三种方法进行控制。三种方法都有自己对应的一个常量(pconst，iconst，dconst)。这三个变量都需要在实验中多次尝试得出。用数学公式表达PID算法如下图所示： 
此处：e = 期望值 – 输入值
[[File:PIDtheory.jpg||600px|center|thumb]]
平衡车之所以可以自己掌握平衡，首先通过Microduino-10DOF模块的加速度和陀螺仪测出相应的姿态数据，然后利用kalman滤波算法得出当前平衡车的角度。平衡的角度是180度，如果测出的角度偏离180，PID算法会调整输出相应的PWM值给电机，从而保持小车平衡。 
PID原理有点像锅炉房里烧锅炉，首先定下来锅炉的恒定温度，比如26摄氏度，锅炉房里的墙上有一个温度计，能够实时测得锅炉的实时温度。锅炉房里通常有个老大爷时不时（每十分钟看一次）的看着墙上的温度计，如果温度高了就给锅炉降温，低了就给锅炉升温。如果让一个没有经验的年轻小伙子来管理锅炉的温度，可以想象温度表的值会上下浮动的，有经验的老大爷会把这个浮动降到最低。其实PID就是这个烧锅炉的例子，在代码中就有这个故事的影子： 
1)规定的26度就是setpoint 
2)当前的温度就是CurrentAngle 
3)实际值与26度的偏差就是error 
4)没有经验的小伙子有点像PID中的P 
5)有经验的老大爷相当于PID了 
6)每十分钟看一次相当于PID计算的周期时间 
PID的主要代码：
<source lang="cpp">
// PD的实施。 DT是毫秒 
float stabilityPDControl(float DT, float input, float setPoint, float Kp, float Kd) 
{ 
    float error; 
    float output; 
    error = setPoint - input; 
    // Kd的两部分实施 
    //仅使用输入（传感器）的一部分而不是设定值输入（T-2）最大的一个 
    //而第二个使用该设定值 
    output = Kp * error + (Kd * (setPoint - setPointOld) - Kd * (input - PID_errorOld2)) / DT; 
    //Serial.print(Kd*(error-PID_errorOld));Serial.print("\t"); 
    PID_errorOld2 = PID_errorOld; 
    PID_errorOld = input;  // 误差为Kd值是唯一的输入组件 
    setPointOld = setPoint; 
    return(output); 
} 
//P控制实现。 
float speedPControl(float input, float setPoint,  float Kp) 
{ 
    float error; 
    error = setPoint - input; 
    return(Kp * error); 
} 
</source>
本套件利用陀螺仪和加速度传感器（Microduino-10DOF/zh）来检测车体态的变化，并利用步进电机控制核心（Microduino-Stepper/zh），精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。
[[File:PIDtheory1.jpg||600px|center|thumb]]
*主要传感器
[[Microduino-10DOF]]
==文档==
==调试过程==
将Microduino-Core+与Microduino-USBTTL叠加（无上下顺序），通过USB数据线与电脑连接起来
[[File:download1.jpg||600px|center|thumb]]
确认你搭建了Microduino的开发环境，否则参考附录1-Arduino IDE安装指导。
[[File:Gettingstarted.jpg||600px|center|thumb]]
打开Arduino IDE编程软件，点击 【文件】->【打开】
[[File:Dl1.jpg||600px|center|thumb]]
浏览到项目程序地址，点击“Joypad_Balance_Reception.ino”程序打开
[[File:Balancecaropen1.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:Balancecaropen2.jpg||600px|center|thumb]]
点击“工具”，在板选项里面选择板卡（Microduino-Core+），在处理器选项里面选择处理器（Atmega644pa@16M,5V），再在端口选项里面选择正确的端口号，然后直接烧录程序
[[File:WiFiStationopen4.jpg||600px|center|thumb]]
*平衡车骨架搭建
[[File:balancecar1.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar2.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar3.jpg||600px|center|thumb]]
按下图步骤将步进电机装在骨架上
[[File:balancecar4.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar5.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar6.jpg||600px|center|thumb]]
再用
[[File:balancecar7.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar8.jpg||600px|center|thumb]]
安装电池和Microduino-Robot底板
[[File:balancecar9.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar10.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar11.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar12.jpg||600px|center|thumb]]
*注意：装上电池之前请确认Microduino-Robot底板上的开关位于”off”位置
之后将
[[File:balancecar13.jpg||600px|center|thumb]]
[[File:balancecar14.jpg||600px|center|thumb]]
把用到的模块叠加起来。
*Microduino-10DOF
*Microduino-nRF(带天线)
*Microduino-Core+ 
[[File:balancecar15.jpg||600px|center|thumb]]
再将叠加好的模块叠加到Microduino-Robot底板上
[[File:balancecar16.jpg||600px|center|thumb]]
将Microduino-Stepper模块叠加到Microduino-Robot底板上
[[File:balancecar17.jpg||600px|center|thumb]]
将电机线一头接到步进电机接口上，另一头接到Microduino-Stepper的电机接口上
[[File:balancecar18.jpg||600px|center|thumb]]
完成这一步平衡车就搭建完成了
*Joypad遥控板的搭建与调试
将Microduino-Core与Microduino-USBTTL叠加（无上下顺序），通过USB数据与电脑连接起来。
[[File:download1.jpg||300px|center|thumb]]
打开Arduino IDE编程软件，点击【文件】->【打开】 
[[File:Dl1.jpg||300px|center|thumb]]
浏览到项目程序地址，点击“Joypad_RC_2.3.ino”程序打开。
[[File:Joypadopen.jpg||300px|center|thumb]]
[[File:Joypadopen1.jpg||300px|center|thumb]]
点击【工具】，在板选项里面选择板卡（Microduino-Core），在处理器选项里面选择处理器（Atmega328p@16M,5V），再在端口选项里面选择正确的端口号，然后直接烧录程序。
[[File:Dl3.jpg||300px|center|thumb]]
*安装Joypad
将Microduino-TFT安装在Microduino-Joypad面板上
[[File:Joypadgather1.jpg||300px|center|thumb]]
将尼龙螺丝安装在Microduino-Joypad上，并且将底面板粘贴在Microduino-Joypad底部
[[File:Joypadgather2.jpg||300px|center|thumb]]
将Microduino-TFT与Microduino-Joypad通过转接线连接起来
[[File:Joypadgather3.jpg||300px|center|thumb]]
将锂电池连接到底板上，注意正负极别接反了，板子背面标注了正负极
[[File:Joypadgather4.jpg||300px|center|thumb]]
将底板和面板用尼龙螺丝固定好
[[File:Joypadgather5.jpg||300px|center|thumb]]
可以打开电源开关，观察供电是否正常
[[File:Joypadgather6.jpg||300px|center|thumb]]
将下载好程序的core还有nRF24板卡放在Joypad底板上，完成这一步Joypad的搭建就完成了
*自平衡小车和Joypad测试
Joypad操作说明
[[File:Joypadtest.jpg||300px|center|thumb]]
*左上边是油门控制开关，打开（拨到上面），才能进行控制，你可以摇动摇杆，观察屏幕的变化。
*右边开关是精度调整开关，开关拨到上面可以最大幅度控制，否则只能小幅度控制了，小幅度有助于稳定控制。
*左边摇杆本次未使用。
*右边摇杆在垂直方向上控制前后方向移动，往上向前，往下向后，在水平方向上控制左右方向移动。
Joypad开机设置
[[File:Joypadtest1.jpg||300px|center|thumb]]
打开遥控器电源开关，按下复位按键（左边USB接口右边那个）进入系统，请在4S内按下【key1】按键，进入遥控器校准和控制选择模式。
360度最大幅度旋转两个摇杆，遥控板会读入摇杆的位置数据，摇动至示数不再变化即可
[[File:Joypadtest2.jpg||300px|center|thumb]]
选择控制模式，可以通过【key3】按键来选择是控制四轴飞行器（Quad.）还是机器人（Robot），Robot模式可控制自平衡车和BOXZ mini，黑色表示选中。因此我们需要选择Robot模式。还可以通过【key4】按键来选择是否是体感控制模式，如果选择体感模式，你必须叠加Microduino-10DOF模块，选择“MPU ON”。如果是摇杆控制模式，选择“MPU OFF”。
这次搭建没有使用10DOF模块，因此选择MPU OFF模式；
[[File:Joypadtest3.jpg||300px|center|thumb]]
选择完成后，通过【key2】按键退出配置，进入操作
[[File:Joypadtest4.jpg||300px|center|thumb]]
将左上边控制开关打开（拨到上面），才能进行控制，你可以摇动摇杆，观察屏幕的变化
[[File:Joypadtest5.jpg||300px|center|thumb]]
右边开关是幅度调节模式，开关拨到上面可以最大幅度控制Robot，否则只能小幅度控制。如果使用小幅度控制小车，右边摇杆拨到最大位置，小车速度也只能小范围变化，这样有助于稳定控制
[[File:Joypadtest6.jpg||300px|center|thumb]]
当启动小车时，只需要用到右边的摇杆，摇杆的方向和平衡车的方向一致，你可以尝试摇杆控制是否正确。
测试通过后，就可以打开平衡车上Microduino-Robot底板上的电源开关，拨到ON（左边），如果可以看到核心板上的红色led亮，说明供电正常。这样制作就完成了，可以愉快的玩耍了
[[File:Joypadtest7.jpg||300px|center|thumb]]
==注意问题==
*下载程序时候最好只叠加core（core+）和USBTTL，虽然本次搭建涉及的nRF24不会引起冲突，但是别的通信模块有时会造成串口冲突，养成好习惯。
*Core+要叠在nRF24，USB的底下，紧贴ROBOT板。
*锂电池正负极别接错了，否则会烧坏电路。	
*调试好后，实际运行时不要使用USB供电，供电电压不足，请使用电池
==程序说明==

==视频==