自平衡小车/zh

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 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 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 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 文件:PIDtheory.jpg 600px 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： // 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);  }  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。 文件:PIDtheory1.jpg 600px 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 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。 文件:Gettingstarted.jpg 600px 打开Arduino IDE编程软件，点击 【文件】->【打开】 浏览到项目程序地址，点击“Joypad_Balance_Reception.ino”程序打开 文件:Balancecaropen1.jpg 600px 文件:Balancecaropen2.jpg 600px 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 文件:WiFiStationopen4.jpg 600px 平衡车骨架搭建 文件:Balancecar1.jpg 600px 文件:Balancecar2.jpg 600px 文件:Balancecar3.jpg 600px 按下图步骤将步进电机装在骨架上 文件:Balancecar4.jpg 600px 文件:Balancecar5.jpg 600px 文件:Balancecar6.jpg 600px 再用 文件:Balancecar7.jpg 600px 文件:Balancecar8.jpg 600px 安装电池和Microduino-Robot底板 文件:Balancecar9.jpg 600px 文件:Balancecar10.jpg 600px 文件:Balancecar11.jpg 600px 文件:Balancecar12.jpg 600px 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 文件:Balancecar13.jpg 600px 文件:Balancecar14.jpg 600px 把用到的模块叠加起来。 Microduino-10DOF Microduino-nRF(带天线) Microduino-Core+ 文件:Balancecar15.jpg 600px 再将叠加好的模块叠加到Microduino-Robot底板上 文件:Balancecar16.jpg 600px 将Microduino-Stepper模块叠加到Microduino-Robot底板上 文件:Balancecar17.jpg 600px 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 文件:Balancecar18.jpg 600px 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。 打开Arduino IDE编程软件，点击【文件】->【打开】 浏览到项目程序地址，点击“Joypad_RC_2.3.ino”程序打开。 文件:Joypadopen.jpg 300px 文件:Joypadopen1.jpg 300px 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。 安装Joypad 将Microduino-TFT安装在Microduino-Joypad面板上 文件:Joypadgather1.jpg 300px 将尼龙螺丝安装在Microduino-Joypad上，并且将底面板粘贴在Microduino-Joypad底部 文件:Joypadgather2.jpg 300px 将Microduino-TFT与Microduino-Joypad通过转接线连接起来 文件:Joypadgather3.jpg 300px 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 文件:Joypadgather4.jpg 300px 将底板和面板用尼龙螺丝固定好 文件:Joypadgather5.jpg 300px 可以打开电源开关，观察供电是否正常 文件:Joypadgather6.jpg 300px 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 文件:Joypadtest.jpg 300px 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 文件:Joypadtest1.jpg 300px 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 文件:Joypadtest2.jpg 300px 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； 文件:Joypadtest3.jpg 300px 选择完成后，通过【key2】按键退出配置，进入操作 文件:Joypadtest4.jpg 300px 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 文件:Joypadtest5.jpg 300px 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 文件:Joypadtest6.jpg 300px 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 文件:Joypadtest7.jpg 300px 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