开源平衡车/zh

来自Microduino Wikipedia
Hustshenyang@126.com讨论 | 贡献2016年3月12日 (六) 16:13的版本 Step3
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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
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
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
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

程序下载

从以下地址下载源程序 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

Dl1.jpg

浏览到项目程序地址,点击“Joypad_Balance_Reception.ino”程序打开


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。



平衡车搭建

Step1

  • 按图1-1所示将结构-A1结构-A2对接
Balancestep1-1.jpg
  • 按图1-2所示将结构-B1结构-B2插在结构-A1两边
Balancestep1-2.jpg
  • 步骤1完成后组成小车骨架
Balancestep1-3.jpg

Step2

  • 按图2-1所示将2个步进电机结构-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。

Balancestep2-1.jpg
  • 步骤2完成后组成电机组件
Balancestep2-2.jpg

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
Balancestep3-1.jpg
  • 电机组件卡到位后,将结构-B1卡入卡槽缺口,卡紧电机组件
  • 步骤3完成后组成小车地盘

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
  • 步骤4完成后小车如图4-2所示

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
  • 按图5-2说是用结构-A3结构-C4结构-C5卡紧小车上的部件
  • 步骤5完成后小车如图5-3所示

Step6

  • 然后按以下示意图用步进电机线连接步进电机Microduino-Shield Stepper/zh,请注意两个步进电机线的接口位置。

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。

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
Balancestep7-1.jpg

Joypad遥控指南

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:nRF模式通道配置
#define NRF_CHANNEL 70  //nRF通道


  • 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:通道/操作说明
#define CHANNEL_THROTTLE  2 //油门通道
#define CHANNEL_STEERING  1 //转向通道


  • 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
#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


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

平衡车程序说明

nrf设置部分

  //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===========");

端口设定

#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

与遥控器进行数据交换的数组

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;
};

PID控制实现

// 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);
}

PID算法-平衡控制

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;
    }

  }
}

遥控器数据接收后选择数据控制平衡车的前后与左右

    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

Joypad程序及说明

Joypad部分 def.h中 定义了

uint8_t nrf_channal = 70;  //0~125

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

 //nRF==============================
  SPI.begin();		//初始化SPI总线
  radio.begin();
  network.begin(/*channel*/ 70  , /*node address*/ this_node);

在data.h中

  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);

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

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;
};

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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