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| − | {| style="width: 800px;"
| + | === 详细内容 === |
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| − | |
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| − | ==概述== | |
| − | *项目名称：Microduino开源平衡车
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| − | *目的：DIY一台属于自己的两轮自平衡小车
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| − | *难度：中
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| − | *耗时：2小时
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| − | *制作者：
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| − | *简介:
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| − | 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。
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| − | ==材料清单==
| + | 此部分内容维基现已停止维护，该部分的详细内容全部转移至IdeaLab网站上，请移步[https://www.idealab.cc/course/5a69513f8459d000199e6cca/class/5a56ec78d6bcf1000f49fca7 开源平衡车——制作]上进行查看。以下是IdeaLab访问流程。 |
| − | *Microduino设备
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| − | {|class="wikitable"
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| − | |-
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| − | |模块||数量||功能
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| − | |-
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| − | |[[Microduino-Core+/zh]]||1||核心板
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| − | |-
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| − | |[[Microduino-USBTTL/zh]] ||1||下载程序
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| − | |-
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| − | |[[Microduino-Module nRF/zh]] ||1||无线通信
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| − | |-
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| − | |[[Microduino-Module Motion/zh]] ||1||检测姿态
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| − | |-
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| − | |[[Microduino-Shield Stepper/zh]] ||1||驱动连接地板
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| − | |}
| + | == IdeaLab访问流程 == |
| − | *其他设备
| + | '''1、打开网址（[http://www.idealab.cc/ https://www.idealab.cc/]）。''' |
| − | {|class="wikitable"
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| − | |-
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| − | |模块||数量||功能
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| − | |-
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| − | |2.4G天线||1||2.4G通讯
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| − | |-
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| − | |固定板材||1||固定支撑
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| − | |-
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| − | |M2尼龙螺丝||4||固定底板
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| − | |-
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| − | |M2尼龙螺柱||4||固定底板
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| − | |-
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| − | |M2尼龙螺母||4||固定底板
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| − | |-
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| − | |短铜柱||8||固定电机
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| − | |-
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| − | |M4金属螺丝||2||固定车轮
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| − | |-
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| − | |2s锂电池（7.4V） ||1||供电
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| − | |-
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| − | |Micro-USB数据线 ||1||串口通信，下载程序
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| − | |-
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| − | |车轴连接器 ||2||连接电机轴和车轮
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| − | |-
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| − | |车轮 ||2||结构
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| − | |-
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| − | |步进电机 ||2||驱动车轮
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| − | |-
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| − | |步进电机线 ||2||连接电机和驱动板
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| − | |}
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| − | [[File:平衡车物料.jpg||1000px|center]]
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| − | ==程序下载==
| + | '''2、点击右上角登录按钮。''' |
| − | 从以下地址下载源程序
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| − | '''[https://github.com/Microduino/BalanceCar_Microduino BalanceCar_Microduino]''' | |
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| − | ==下载程序==
| + | [[文件:1.png]] |
| − | ===堆叠模块===
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| − | *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。
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| − | ===配置环境===
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| − | *打开Arduino IDE for Microduino环境，（搭建参考：'''[[AVR核心：Getting started/zh]]'''）
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| − | *点击 【文件】->【打开】
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| − | [[File:Dl1.jpg||600px|center]]
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| − | 浏览到项目程序地址，点击“Joypad_Balance_Reception.ino”程序打开
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| − | [[File:Balancecaropen1.jpg||500px|center]]
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| | | | |
| | + | '''3、登录/注册账号。''' |
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| − | [[File:Balancecaropen2.jpg||600px|center]] | + | [[文件:2.png]] |
| − | 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。
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| − | [[File:WiFiStationopen4.jpg||600px|center]]
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| | + | '''4、点击课程，在课程列表中找到《Microduino创新编程》课程并点击打开。''' |
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| | + | [[文件:8.png]] |
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| | + | '''5、点击“报名学习”。''' |
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| − | ==平衡车搭建==
| + | [[文件:9.png]] |
| − | ==='''Step1'''===
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| − | *按图1-1所示将'''结构-A1'''和'''结构-A2'''对接
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| − | [[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'''===
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| − | *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
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| − | '''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。
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| − | [[File:Balancestep2-1.jpg||350px|center]]
| |
| − | *步骤2完成后组成'''电机组件'''
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| − | [[File:Balancestep2-2.jpg||350px|center]]
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| | | | |
| − | ==='''Step3'''===
| + | '''6、输入姓名。''' |
| − | *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
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| − | [[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'''
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| − | [[File:Balancestep3-2.jpg||350px|center]]
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| − | *步骤3完成后组成'''小车地盘'''
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| − | [[File:Balancestep3-3.jpg||250px|center]]
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| − | ==='''Step4'''===
| + | [[文件:5.png]] |
| − | *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
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| − | [[File:Balancestep4-2.jpg||250px|center]]
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| − | ==='''Step5'''===
| + | '''7、点击“课程目录”。''' |
| − | *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]]
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| − | *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
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| − | [[File:Balancestep5-2.jpg||350px|center]]
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| − | *步骤5完成后小车如图5-3所示
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| − | [[File:Balancestep5-3.jpg||350px|center]]
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| − | ==='''Step6'''===
| + | [[文件:10.png]] |
| − | *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
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| − | *将2.4G天线接到[[Microduino-Module nRF/zh]]上
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| − | *然后将[[Microduino-Core+/zh]],[[Microduino-Module nRF/zh]]和[[Microduino-Module Motion/zh]]叠加到[[Microduino-Shield Stepper/zh]]上
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| − | [[File:Balancestep6-1.jpg||350px|center]]
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| − | *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。
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| − | [[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。
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| − | [[File:Balancemotor.jpg||200px|center]]
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| − | ==='''Step7'''===
| + | '''8、选择相应课程进行学习。''' |
| − | *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
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| − | [[File:Balancestep7-1.jpg||350px|center]]
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| − | ==Joypad遥控指南==
| + | [[文件:11.png]] |
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| − | *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]'''
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| − | *'''Joypad通讯模式配置'''*
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| − | *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]'''
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| − | **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
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| − | *'''Joypad电池使用说明'''*
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| − | *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]'''
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| − | ==代码说明==
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| − | *在“user_def.h”文件是我们的配置文件
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| − | *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
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| − | *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]
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | #define NRF_CHANNEL 70 //nRF通道
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| − | </source>
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| − | *以下代码可以配置油门和转向对应通道
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| − | *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]
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | #define CHANNEL_THROTTLE 2 //油门通道
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| − | #define CHANNEL_STEERING 1 //转向通道
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| − | </source>
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| − | | |
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| − | *以下代码可以修正两轮的转速比例
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| − | **值得范围是-1到1之间
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| − | **设置成-1，是最大转速比反转
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| − | **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
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | #define motor_fixL 1 //速度修正 -1到1之间
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| − | #define motor_fixR 1 //速度修正 -1到1之间
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| − | </source>
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| − | ==注意问题==
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| − | *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。
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| − | *Core+要叠在nRF24，USB的底下，紧贴ROBOT板。
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| − | *锂电池正负极别接错了，否则会烧坏电路。
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| − | *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
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| − | ==平衡车程序说明==
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| − | nrf设置部分
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| − | <source lang="cpp">
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| − | //nRF==============================
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| − | SPI.begin(); //初始化SPI总线
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| − | radio.begin();
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| − | //此处与Joypad上设定的通道数对应
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| − | network.begin(/*channel*/ 70, /*node address*/ this_node);
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| − | | |
| − | digitalWrite(LED, HIGH);
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| − | Serial.println("===========start===========");
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| − | </source>
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| − | 端口设定
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | #define MOTOR_EN 4 //PORTB,0
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| − | #define MOTOR1_DIR A0 //PORTA,7
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| − | #define MOTOR1_STEP 5 //PORTB,1
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| − | #define MOTOR2_DIR A1 //PORTA,6
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| − | #define MOTOR2_STEP 6 //PORTB,2
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| − | #define MOTOR3_DIR A2 //PORTA,5
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| − | #define MOTOR3_STEP 7 //PORTB,3
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| − | #define MOTOR4_DIR A3 //PORTA,4
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| − | #define MOTOR4_STEP 8 //PORTD,6
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| − | </source>
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| − | 与遥控器进行数据交换的数组
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| − | <source lang="cpp">
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| − | struct receive_a //接收
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| − | {
| |
| − | 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>
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| − | PID控制实现
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| − | <source lang="cpp">
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| − | // 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
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| − | //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
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| − | //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）
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| − | 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);
| |
| − | }
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| − | </source>
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| − | PID算法-平衡控制
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| − | <source lang="cpp">
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| − | void robot()
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| − | {
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| − | //===============================================================
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| − | timer_value = millis();
| |
| − | | |
| − | // 新的DMP定位解决方案
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| − | 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
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| − | {
| |
| − | mpu.resetFIFO();
| |
| − | return;
| |
| − | }
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| − | | |
| − | 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
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| − | actual_robot_speed_Old = actual_robot_speed;
| |
| − | actual_robot_speed = (speed_m[1] - speed_m[0]) / 2; // 正面：前锋
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| − | // 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
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| − | target_angle = speedPIControl(dt, estimated_speed_filtered, throttle, Kp_thr, Ki_thr);
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| − | //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
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| − | 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）
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| − | 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
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| − | <source lang="cpp">
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| − | float * _i = _speed;
| |
| − | //CH1,CH0,CH7对应之前的发送/接收部分定义的数组
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| − | _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>
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| − | nrf_channal为nrf通信的通道，joypad和Cube小车的代码中都会有该定义
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| − | 当通道一致时则Joypad可与Cube小车成功连接。
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| − | 在小车代码中会有如下程序段
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | //nRF==============================
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| − | SPI.begin(); //初始化SPI总线
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| − | radio.begin();
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| − | network.begin(/*channel*/ 70 , /*node address*/ this_node);
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| − | </source>
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| − | 在data.h中
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | outBuf[0] = Joy1_x;
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| − | outBuf[1] = Joy1_y;
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| − | outBuf[2] = Joy_x;
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| − | outBuf[3] = Joy_y;
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| − | outBuf[4] = map(AUX[0], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum);
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| − | outBuf[5] = map(AUX[1], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum);
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| − | outBuf[6] = map(AUX[2], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum);
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| − | outBuf[7] = map(AUX[3], 0, 1, Joy_MID - Joy_maximum, Joy_MID + Joy_maximum);
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| − | </source>
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| − | 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
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| − | | |
| − | 在nrf.h中
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| − | <source lang = "cpp">
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| − | struct send_a //发送
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| − | {
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| − | uint32_t ms;
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| − | uint16_t rf_CH0;
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| − | uint16_t rf_CH1;
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| − | uint16_t rf_CH2;
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| − | uint16_t rf_CH3;
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| − | uint16_t rf_CH4;
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| − | uint16_t rf_CH5;
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| − | uint16_t rf_CH6;
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| − | uint16_t rf_CH7;
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| − | };
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| − | </source>
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| − | 此处定义的send_a结构体位对应的0位要发送的数据
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| − | | |
| − | ==视频==
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