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{| style="width: 800px;" |- | ==概述== *项目名称:Microduino开源平衡车 *目的:DIY一台属于自己的两轮自平衡小车 *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。本教程将指导读者基于Microduino产品模块组建一个可以遥控的自平衡小车,能够实现两轮小车平衡直立和运动的功能,用户在制作完成后,可以在该平台上进行二次开发,实现更多有趣功能。 ==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-Module nRF/zh]] ||1||无线通信 |- |[[Microduino-Module Motion/zh]] ||1||检测姿态 |- |[[Microduino-Shield Stepper/zh]] ||1||驱动连接地板 |} *其他设备 {|class="wikitable" |- |模块||数量||功能 |- |2.4G天线||1||2.4G通讯 |- |固定板材||1||固定支撑 |- |M2尼龙螺丝||4||固定底板 |- |M2尼龙螺柱||4||固定底板 |- |M2尼龙螺母||4||固定底板 |- |短铜柱||8||固定电机 |- |M4金属螺丝||2||固定车轮 |- |2s锂电池(7.4V) ||1||供电 |- |锂电池专用平衡充电器 ||1||供电 |- |Micro-USB数据线 ||1||串口通信,下载程序 |- |车轴连接器 ||2||连接电机轴和车轮 |- |车轮 ||2||结构 |- |步进电机 ||2||驱动车轮 |- |步进电机线 ||2||连接电机和驱动板 |} [[File:平衡车物料.jpg||1000px|center]] ==程序下载== 从以下地址下载源程序 '''[https://github.com/Microduino/BalanceCar_Microduino BalanceCar_Microduino]''' ==下载程序== ===堆叠模块=== *将Microduino-Core+与Microduino-USBTTL叠加(无上下顺序),再通过USB数据线把Microduino-USBTTL模块与电脑连接起来。 ===配置环境=== *打开Arduino IDE for Microduino环境,(搭建参考:'''[[AVR核心:Getting started/zh]]''') *点击 【文件】->【打开】 [[File:Dl1.jpg||600px|center]] 浏览到项目程序地址,点击“Joypad_Balance_Reception.ino”程序打开 [[File:Balancecaropen1.jpg||500px|center]] [[File:Balancecaropen2.jpg||600px|center]] 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,点击“”按钮下载程序到核心板上。 [[File:WiFiStationopen4.jpg||600px|center]] ==平衡车搭建== ==='''Step1'''=== *按图1-1所示将'''结构-A1'''和'''结构-A2'''对接 [[File:Balancestep1-1.jpg||250px|center]] *按图1-2所示将'''结构-B1'''和'''结构-B2'''插在'''结构-A1'''两边 [[File:Balancestep1-2.jpg||250px|center]] *步骤1完成后组成'''小车骨架''' [[File:Balancestep1-3.jpg||250px|center]] ==='''Step2'''=== *按图2-1所示将2个'''步进电机'''与'''结构-C1'''对接,再用'''铜柱'''固定好 '''注意:'''注意图中所示电机接口方向,两个电机接口应该对称安装。 [[File:Balancestep2-1.jpg||350px|center]] *步骤2完成后组成'''电机组件''' [[File:Balancestep2-2.jpg||350px|center]] ==='''Step3'''=== *按图3-1将'''电机组件'''卡到'''小车骨架'''上,注意电机接口需要对应'''小车骨架'''的缺口,请按图中所示方向将'''电机组件'''卡入卡槽内 [[File:Balancestep3-1.jpg||350px|center]] *'''电机组件'''卡到位后,将'''结构-B1'''卡入卡槽缺口,卡紧'''电机组件''' [[File:Balancestep3-2.jpg||350px|center]] *步骤3完成后组成'''小车地盘''' [[File:Balancestep3-3.jpg||250px|center]] ==='''Step4'''=== *按图4-1所示将'''车轴连接器'''固定在'''步进电机'''轴上,然后将'''车轮装在'''车轴连接器'''上,然后用'''螺丝'''固定紧 [[File:Balancestep4-1.jpg||350px|center]] *步骤4完成后小车如图4-2所示 [[File:Balancestep4-2.jpg||250px|center]] ==='''Step5'''=== *按图5-1所示将'''2s电池'''放在'''小车地盘'''的槽内,然后将'''结构-C2'''插在'''小车地盘'''上面,将'''结构-C3'''插在'''小车地盘'''的底部 [[File:Balancestep5-1.jpg||350px|center]] *按图5-2说是用'''结构-A3'''、'''结构-C4'''和'''结构-C5'''卡紧小车上的部件 [[File:Balancestep5-2.jpg||350px|center]] *步骤5完成后小车如图5-3所示 [[File:Balancestep5-3.jpg||350px|center]] ==='''Step6'''=== *将[[Microduino-Shield Stepper/zh]]用'''尼龙螺丝'''、'''尼龙螺柱'''和'''尼龙螺母'''固定在'''小车地盘'''顶部 *将2.4G天线接到[[Microduino-Module nRF/zh]]上 *然后将[[Microduino-Core+/zh]],[[Microduino-Module nRF/zh]]和[[Microduino-Module Motion/zh]]叠加到[[Microduino-Shield Stepper/zh]]上 [[File:Balancestep6-1.jpg||350px|center]] *然后按以下示意图用'''步进电机线'''连接'''步进电机'''和[[Microduino-Shield Stepper/zh]],请注意两个'''步进电机线'''的接口位置。 [[File:Balancestep6-2.jpg||350px|center]] '''注意''':在连接电机线的时候要注意方向,并稍微用力才能插入电机的接口,请按照图中方向插接。 [[File:Balancemotor.jpg||200px|center]] ==='''Step7'''=== *按图7-1所示将'''2s电池'''插入[[Microduino-Shield Stepper/zh]]的电池接口,小车即上电工作,扶起小车,小车即能保持平衡不倒 [[File:Balancestep7-1.jpg||350px|center]] ==Joypad遥控指南== *搭建过程可参考以下页面:'''[https://www.microduino.cn/wiki/index.php/Microduino-Joypad_Getting_start/zh Joypad使用指南]''' *'''Joypad通讯模式配置'''* *模式配置可参考以下页面:'''[https://www.microduino.cn/wiki/index.php/Microduino-Joypad_Getting_start/zh#.E9.80.9A.E8.AE.AF.E6.A8.A1.E5.BC.8F 通讯模式配置]''' **当我们使用[[Microduino-Module nRF/zh]]作为'''通讯模块'''时,Joypad对应选择'''nRF模式'''即可 *'''Joypad电池使用说明'''* *特别要注意的是电池使用说明:'''[https://www.microduino.cn/wiki/index.php/Microduino-Joypad_Getting_start/zh#Step-2_.E7.94.B5.E6.B1.A0.E9.80.9A.E7.94.B5 电池使用说明]''' ==代码说明== *在“user_def.h”文件是我们的配置文件 *以下代码可以配置nRF模式下通道,需要保证和Joypad遥控器一致 *Joypad的nRF模式通道配置可参考:[https://www.microduino.cn/wiki/index.php/Microduino-Joypad_Getting_start/zh#nRF.E6.A8.A1.E5.BC.8F.E9.80.9A.E9.81.93.E9.85.8D.E7.BD.AE nRF模式通道配置] <source lang = "cpp"> #define NRF_CHANNEL 70 //nRF通道 </source> *以下代码可以配置油门和转向对应通道 *对应通道说明可参考:[https://www.microduino.cn/wiki/index.php/Microduino-Joypad_Getting_start/zh#Step-5_.E9.80.9A.E9.81.93.2F.E6.93.8D.E4.BD.9C.E8.AF.B4.E6.98.8E 通道/操作说明] <source lang = "cpp"> #define CHANNEL_THROTTLE 2 //油门通道 #define CHANNEL_STEERING 1 //转向通道 </source> *以下代码可以修正两轮的转速比例 **值得范围是-1到1之间 **设置成-1,是最大转速比反转 **设置成1,是最大转速比正转, **如果小车不能走直线,应该将较慢的一边轮子的转速比例值降低 <source lang = "cpp"> #define motor_fixL 1 //速度修正 -1到1之间 #define motor_fixR 1 //速度修正 -1到1之间 </source> ==平衡车使用注意事项== *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 ==平衡车程序说明== nrf设置部分 <source lang="cpp"> //nRF============================== SPI.begin(); //初始化SPI总线 radio.begin(); //此处与Joypad上设定的通道数对应 network.begin(/*channel*/ 70, /*node address*/ this_node); digitalWrite(LED, HIGH); Serial.println("===========start==========="); </source> 端口设定 <source lang = "cpp"> #define MOTOR_EN 4 //PORTB,0 #define MOTOR1_DIR A0 //PORTA,7 #define MOTOR1_STEP 5 //PORTB,1 #define MOTOR2_DIR A1 //PORTA,6 #define MOTOR2_STEP 6 //PORTB,2 #define MOTOR3_DIR A2 //PORTA,5 #define MOTOR3_STEP 7 //PORTB,3 #define MOTOR4_DIR A3 //PORTA,4 #define MOTOR4_STEP 8 //PORTD,6 </source> 与遥控器进行数据交换的数组 <source lang="cpp"> struct receive_a //接收 { uint32_t ms; uint16_t rf_CH0; uint16_t rf_CH1; uint16_t rf_CH2; uint16_t rf_CH3; uint16_t rf_CH4; uint16_t rf_CH5; uint16_t rf_CH6; uint16_t rf_CH7; }; </source> PID控制实现 <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输入(T-2)最大的一个 //而第二个使用该设定值,使之更有点侵略性设定点设定点(T-1) output = Kp * error + (Kd * (setPoint - setPointOld) - Kd * (input - PID_errorOld2)) / DT; // + 错误 - PID_error_Old2 //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); } // PI实现。 DT是毫秒 float speedPIControl(float DT, float input, float setPoint, float Kp, float Ki) { float error; float output; error = setPoint - input; PID_errorSum += constrain(error, -ITERM_MAX_ERROR, ITERM_MAX_ERROR); PID_errorSum = constrain(PID_errorSum, -ITERM_MAX, ITERM_MAX); output = Kp * error + Ki * PID_errorSum * DT * 0.001; return (output); } </source> PID算法-平衡控制 <source lang="cpp"> void robot() { //=============================================================== timer_value = millis(); // 新的DMP定位解决方案 fifoCount = mpu.getFIFOCount(); if (fifoCount >= 18) { if (fifoCount > 18) // 如果我们有一个以上的数据包,我们采取简单的路径:丢弃缓冲区 { mpu.resetFIFO(); return; } loop_counter++; slow_loop_counter++; dt = (timer_value - timer_old); timer_old = timer_value; angle_adjusted_Old = angle_adjusted; angle_adjusted = dmpGetPhi() + ANGLE_FIX; Serial.println(angle_adjusted); mpu.resetFIFO(); // 我们始终复位FIFO // 我们计算估计机器人的速度 actual_robot_speed_Old = actual_robot_speed; actual_robot_speed = (speed_m[1] - speed_m[0]) / 2; // 正面:前锋 // 角速度角度调整角度调整旧 int16_t angular_velocity = (angle_adjusted - angle_adjusted_Old) * 90.0; // 我们利用机器人速度(T-1)或(T-2),以补偿该延迟 int16_t estimated_speed = actual_robot_speed_Old - angular_velocity; //估计速度估计过滤滤速 estimated_speed_filtered = estimated_speed_filtered * 0.95 + (float)estimated_speed * 0.05; //目标角速度PIC ONTROL dt的速度估计过滤油门Kp_thr Ki_thr target_angle = speedPIControl(dt, estimated_speed_filtered, throttle, Kp_thr, Ki_thr); //有限的输出 目标角度约束目标角度最大目标角度最大目标角度 target_angle = constrain(target_angle, -max_target_angle, max_target_angle); if (pushUp_counter > 0) // pushUp mode? target_angle = 10; //我们整合输出(加速度) control_output += stabilityPDControl(dt, angle_adjusted, target_angle, Kp, Kd); control_output = constrain(control_output, -800, 800); // 限制最大输出控制 // 控制的转向部分的输出直接注射 motor1 = control_output + steering; motor2 = -control_output + steering; //马达2反转 // 限制最大速度 motor1 = constrain(motor1, -500, 500); motor2 = constrain(motor2, -500, 500); // Is robot ready (upright?) if ((angle_adjusted < 66) && (angle_adjusted > -66)) { if (node_STA) // pushUp mode? { pushUp_counter++; if (pushUp_counter > 60) // 0.3 seconds { // Set motors to 0 => disable steppers => robot setMotorSpeed(0, 0); setMotorSpeed(1, 0); // We prepare the raiseup mode Kp = KP_RAISEUP; // CONTROL GAINS FOR RAISE UP Kd = KD_RAISEUP; Kp_thr = KP_THROTTLE_RAISEUP; control_output = 0; estimated_speed_filtered = 0; } else { setMotorSpeed(0, motor1); setMotorSpeed(1, motor2); } } else { // NORMAL MODE setMotorSpeed(0, motor1); setMotorSpeed(1, motor2); pushUp_counter = 0; } if ((angle_adjusted < 40) && (angle_adjusted > -40)) { Kp = Kp_user; // Default or user control gains Kd = Kd_user; Kp_thr = Kp_thr_user; Ki_thr = Ki_thr_user; } else { Kp = KP_RAISEUP; // CONTROL GAINS FOR RAISE UP Kd = KD_RAISEUP; Kp_thr = KP_THROTTLE_RAISEUP; Ki_thr = KI_THROTTLE_RAISEUP; } } else // Robot not ready, angle > 70º { setMotorSpeed(0, 0); setMotorSpeed(1, 0); PID_errorSum = 0; // Reset PID I term Kp = KP_RAISEUP; // CONTROL GAINS FOR RAISE UP Kd = KD_RAISEUP; Kp_thr = KP_THROTTLE_RAISEUP; Ki_thr = KI_THROTTLE_RAISEUP; } } } </source> 遥控器数据接收后选择数据控制平衡车的前后与左右 <source lang="cpp"> float * _i = _speed; //CH1,CH0,CH7对应之前的发送/接收部分定义的数组 _i[0] = map(rec.rf_CH1, 1000, 2000, -MAX_THROTTLE, MAX_THROTTLE); _i = _turn; _i[0] = map(rec.rf_CH0, 1000, 2000, -MAX_STEERING, MAX_STEERING); node_STA = (rec.rf_CH7 > 1500 ? true : false); //接收请求时序赋值 </source> ==Joypad程序及说明== Joypad部分 def.h中 定义了 <source lang = "cpp"> uint8_t nrf_channal = 70; //0~125 </source> nrf_channal为nrf通信的通道,joypad和Cube小车的代码中都会有该定义 当通道一致时则Joypad可与Cube小车成功连接。 在小车代码中会有如下程序段 <source lang = "cpp"> //nRF============================== SPI.begin(); //初始化SPI总线 radio.begin(); network.begin(/*channel*/ 70 , /*node address*/ this_node); </source> 在data.h中 <source lang = "cpp"> outBuf[0] = Joy1_x; outBuf[1] = Joy1_y; outBuf[2] = Joy_x; outBuf[3] = Joy_y; outBuf[4] = map(AUX[0], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum); outBuf[5] = map(AUX[1], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum); outBuf[6] = map(AUX[2], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum); outBuf[7] = map(AUX[3], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum); </source> 8位数组outBuf表示Joypad发出的8位数据,0位为右摇杆左右,1为右摇杆上下,2为左摇杆左右,3位左摇杆上下,4~7位对应AUX0~4 在nrf.h中 <source lang = "cpp"> struct send_a //发送 { uint32_t ms; uint16_t rf_CH0; uint16_t rf_CH1; uint16_t rf_CH2; uint16_t rf_CH3; uint16_t rf_CH4; uint16_t rf_CH5; uint16_t rf_CH6; uint16_t rf_CH7; }; </source> 此处定义的send_a结构体位对应的0位要发送的数据 ==视频==
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