低成本、低档自平衡小车历程（超声自平衡小车）

ID:113207 · 发表于 2016-4-11 02:04

第二阶段目标：

如标题所述，真正的入门级平衡车，真的低成本，不用陀螺仪和加速度传感器，用超声波测距实现平衡的小车！！！
见 114# 介绍！！！

第一阶段总结：
1# 第一版详细资料。

42# MPU6050-DMP输出稳定性测试，DMP每次启动后均要20秒左右后角度输出才稳定，使用者要注意此问题！！！

43# 第二版小车，硬件做了块PCB底板，换了一个全光耦隔离的L298N模块，这个版本做两款软件：一是单侧码盘测速，另一是用PWM输出值取代测速码盘，效果也不错。

50# 蓝牙手机控制助手，编写了一个简单的安卓控制平衡小车的程序。

56# 自平衡小车参数整定方法，针对前面一些经验和教训，总结了参数调整中的一些问题。

63# 不用MPU6050的DMP输出，采用原始数据一阶互补滤波解算角度，也不用PID库，直接编写PID计算，效率更高，稳定性与控制效果也更好。

65# 第三版源代码，测试数据和最新视频效果。

2014.12.4

以下为原1#贴内容

一、基本材料
1、Arduino Pro Mini模块
2、CP2102模块
3、MPU6050模块
4、CH06蓝牙模块
5、L298N驱动模块
6、测速传感器模块
7、小车底盘

二、硬件设计
1、Arduino Pro Mini + MPU6050测试验证
Arduino Pro Mini模块与MPU6050模块的连线图见前面图片，即：SDA接A4，SCL接A5，VCC接VCC，GND接GND，INT接2。
下载：i2cdevlib-master（https://github.com/jrowberg/i2cdevlib）
****MPU6050库的安装方法*************************
a. 下载arduino编译器，目前版本为1.0.5。
b. 下载MPU6050库。进入“https://github.com/jrowberg/i2cdevlib”，点击“zip”即可。
c. 安装。将上一步下载的“I2Cdev”、“MPU6050”两个文件夹拷贝到“arduino-1.0.5libraries”目录下。
运行arduino可以在例子中看到MPU6050。OK！

2、硬件原理图

Arduino-Pro-Mini-schematic.pdf (37.43 KB, 下载次数: 13)

其中D2S为外部中断0的接线选择：一种选择是MPU6050的DMP方式，这种方式就只能用一个测速码盘计数了；另一种选择是用两个测速码盘计数，但不能用MPU6050的DMP方式。

三、软件设计

1、源代码

WJY_DIY_v1_2.rar (3.23 KB, 下载次数: 28)

2、说明
此处虽然用了速度PID，但这个的输入是码盘计数值，这个值其实不是速度，而是速度的累加，也就是速度的积分，所以其Sd、Sp这两个参数分别对应于速度环的P系数和I系数，也就实现了速度环的比例和积分这两项。

PID调节公式：PWMOut = KAp*angle + KAd*angle_velocity + KSp*speed + KSi*position

四、参数整定
1、先将 kp、ki、 kd、 sp、 si、sd 均设置为0；
2、先设定一个电机的起步补偿值，因为这个之不同，就相当于使用了不同的电机，这个值的选择，是根据你自己搭建完平台后，通过测试左右电机的起步值和停止值，然后综合考虑设定的，也没什么理论指导，在起步和停止之间分别候选几个，然后根据不同的补偿值，在分别调整PID的系数，这样优选一组即可；
3、逐渐增大 kp 使得小车刚刚来回摆动；
4、再逐渐增大 kd 使得小车的摆动消失，再继续增大 kd 小车会出现抖动，适当减小 kd，使得小车相对平稳即可；
5、接下来调节 sd（注意不是 sp，理由见软件设计的说明部分），使得小车能够来回走动（不是摆动，也不是抖动）；
6、最后逐渐增大 sp，使得小车能够相对稳定；
7、什么程度为好，自己花一定的时间慢慢摸索，就能逐渐体会到自己的一套“主观”标准了！
8、最后一个参数也要注意，就是“抗积分饱和”值，这个值的选择我感觉与 sp 的大小有关，自己摸索吧，这个值如果选择太大会出现往一边跑，最后跌倒在地；如果太小会很快倒地。

五、初步成果
1、静态照片

2、运行曲线图

3、视频

六、问题及解决方案
1、电机性能测试
小车平台装配完毕，应测试一下，两个电机的特性，测试程序如下：

WJY_DIY_test.rar (1.01 KB, 下载次数: 19)

用此程序分别测试两个电机的启动值和停止值，也可测量两个电机的速差。

2、电机干扰问题
电机一起动，Arduino + MPU6050就无法工作，这个问题，在各论坛中均有提及，我这里采取的措施是，电机单独用一块7.4V的锂电供电，并且L298N的所有控制线均用光耦隔离。

3、系统供电
除上述电机供电外，系统其他部分的供电绝不可仅用 Arduino Pro Mini 上的稳压电源给其他部分供电， Arduino Pro Mini 上的稳压电源输出所能提供的电流有限，我这里仅用他给 MPU6050 模块供电，蓝牙串口模块单独用一个低压差稳压模块给其供电。

七、参考资料
1、pz_cloud 的：做了一个小小的自平衡小车（更新完整版，附视频）
http://www.geek-workshop.com/thread-5688-1-1.html
2、匠人的百宝箱：《自平衡两轮车》讲义 http://bbs.21ic.com/blog-24110-84728.html
3、求助：用MPU6050，L298N控制的平衡小车，运行1分钟就死机，（含详细代码注释！已上...
http://www.geek-workshop.com/thread-1548-1-1.html
4、MPU6050库，https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

i2cdevlib-master.zip (295.46 KB, 下载次数: 13)

5、PID库：

PID_v1.zip (7.47 KB, 下载次数: 19)

ID:113207 · 发表于 2016-4-11 02:09

我测速模块烧了，今天修改了一下程序，用PWM的值取代测速码盘，效果也不错！
明天试另一方案：用6050模块的加速度积分取代测速信号检测，作为速度PID的输入，看看效果如何？如果成功，下次在用6050的方位角信息来控制小车的两轮均衡运转，或者控制小车的转向。
MPU6050-DMP输出稳定性测试
在以往调节平衡小车的过程中，发现小车的平衡角不断改变（不是物理的改变，而是测量结果的改变），造成的结果，就是小车往一边跑，如果不及时修正角度设定值，小车就自己倒下了。
上两张测试结果图

从测试结果来看，倾斜角大约需要20多秒才能稳定下来，方位角虽然在20秒左右稳定下来了，但输出始终在小幅漂移。

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新款的小车，做了块PCB底板，换了一个带六路光耦隔离的L298N模块，上两张图片

PCB底板上安装有：Arduino ProMini模块、MPU6050模块、蓝牙模块、低压差5V稳压、电池及充电线插座。

整机取消了测速码盘，下面安装了一组电池共底板上各部分供电，最上面的一组电池共L298N模块供电。

摆动是在平衡之前，也就是开始你的小车用手扶着，松开就倒，但你逐渐增大Kp后，再松开手，就会发现它来回摆动了，这时就已经初步成功站立了，然后再逐渐增大Kd……

给自己的小车编了个简单的安卓手机蓝牙控制程序，先上界面（本人水平有限仅能做这种特简单的界面）：

再上源程序和APK安装程序

WJY_DIY_APK.rar (509.36 KB, 下载次数: 20)
开发工具软件是：RFO_BASIC!
也是小巧好玩的东西，可以在手机上直接编程并运行！

Basic.rar (417.95 KB, 下载次数: 10)

Builder_APK.rar (670.89 KB, 下载次数: 15)

1.rar (7.97 MB, 下载次数: 17)

ID:113207 · 发表于 2016-4-11 02:50

自平衡小车参数整定方法

1、将Kp、Ki、Kd、Sp、Si、Sd均设为零。
2、用支架将自平衡小车支起，处于水平状态。
3、在程序每次输出小车实际角度的同时，输出Arduino的系统时间[用millis()函数]，下载并运行程序用串口调试助手记录系统时间与MPU6050的角度输出，记录足够的数据后“保存窗口”数据，用Excel打开记录的数据文件，观察数据稳定时间。

4、确定完这个稳定时间后，将程序输出恢复到原来状态（去掉时间输出部分），重新下载，去掉小车支架并启动运行；将小车放置于一固角度位置，保持不动，观察角度输出数据是否稳定（这个时间必须大于第3步所测时间），待数据稳定后，用手扶着小车找其自然物理平衡角；通过串口工具输出“G”或“g”将平衡设定角“setp0”设置到与小车的自然物理平衡角相一致。
5、这此之后小车的整定过程中不要断电，始终保持运行状态，逐步增加Kp，观察小车的两轮是否有抵抗角度变化的力量，如果不仅不能抵抗角度的变化，而是顺着角度变化（增大角度的变化），则将顺其变化的控制电机接线反过来接，再继续下一步。
6、继续增大Kp，小车会出现来回摆动，增大或减小Kp，使其摆动的幅度不导致小车倾倒为原则。
7、增大Kd，小车的摆动会逐渐减小，如果继续增大Kd，小车会出现抖动现象，调节Kd，使其相对平稳（因为香蕉电机很难做到特别稳定）即可。
8、逐渐增加Sd（这里也要做个判断，用手平推小车，小车是否有抵抗行为，如果没有抵抗，而是顺其运行，说明速度环控制方向反了），使得小车来回走动（不是摆动），然后增加Sp，使其来回走动逐渐减小，达到比较满意即可。

注意：第四步必须做，否则小车往往就跑向一边了！！！

自平衡小车参数调整方法.rar (181.72 KB, 下载次数: 18)

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今天参考了
Arduino 自平衡小车，制作经验记录与分享，愿有兴趣人士，一起学习探讨。
http://www.51hei.com/bbs/dpj-48041-1.html
的帖子，根据自己小车的实际情况做了一些调整，完成了第3版的平衡小车，没用使用MPU6050的DMP功能了，读取原始数据采用一阶互补滤波求角度，这样可以用两个中断测量左右轮的速度了。
这个效果感觉更好，几乎仅用一个Kp就能站立了，我测试了一下程序的整个运行周期，大概在3~4ms，这样调整速度更快了，所以感觉效果好多了。
另外，由于码盘一圈才20个孔，我才用电平变化测量方式，一圈也就计数40次，所以在一个周期这么短的时间内，速度计数几乎为0，所以我是200ms左右测量一次速度。
读取MPU6050的原始数据计算出来的角度几乎启动后就是稳定的数据，DMP方式要20秒左右才能稳定！！！

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第三版最新程序代码：

WJY_DIY_v1_4.rar (2.16 KB, 下载次数: 14)
程序中增加了一个两轮速度差修正系数Kdsp，由于我这个测速码盘只有20孔，所以速度差检测不太敏感，目前效果不明显，要么增大速度差的采样周期，但这样反应也就变得很慢，先天硬缺陷，没法与高端的相比。

测试记录数据（500ms一个点）见下图：

图中红色区域，可以看出，当小车实际角度偏离机械平衡点超过一定值（这个值由PID的调整输出与电机的启动阈限决定），由于快速的PID调整，即使是香蕉电机也能很快调整到新的平衡点。
详细数据如下：

SAVE2014-12-4_17-57-30.rar (10.73 KB, 下载次数: 15)

最新视频效果

WJY_DIY_v1_4_1.rar (2.2 KB, 下载次数: 15)

ID:127462 · 发表于 2016-6-20 20:01

学习，学习，学习谢谢

ID:136714 · 发表于 2016-8-14 07:36

学习，学习，学习谢谢

ID:140059 · 发表于 2016-9-21 18:18

学习，学习，学习谢谢

ID:140874 · 发表于 2016-9-29 14:18

给力啊超赞

ID:79544 · 发表于 2016-11-21 15:52

51hei学习发表于 2016-4-11 02:50
自平衡小车参数整定方法

1、将Kp、Ki、Kd、Sp、Si、Sd均设为零。

楼主。有51的就好啦。学习分享学习啦，再就是你的那个软件怎么安装和使用，谢谢！

ID:151483 · 发表于 2016-12-1 21:30

谢谢分享

ID:229378 · 发表于 2018-4-10 13:52

感谢楼主！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

ID:1022278 · 发表于 2022-5-18 14:08

51hei学习发表于 2016-4-11 02:09
我测速模块烧了，今天修改了一下程序，用PWM的值取代测速码盘，效果也不错！
明天试另一方案：用6050模块 ...

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