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[讨论] 两轮自平衡小车的制作总结 |
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自从一个月前帮朋友搞定了SD卡软字库后（https://mc.dfrobot.com.cn/thread-305932-1-1.html），感觉Arduino还是蛮好玩的，于是抱着学习的目的，做了一个两轮的自平衡小车，先上图。 不负重 负重 X轴斜坡 Y轴斜坡 X+Y轴斜坡 遥控行驶 自平衡小车      遥控器    |
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不负重：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE4MzI0OA==.html 负重：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE4Nzg3Mg==.html X轴斜坡：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE4OTUyNA==.html Y轴斜坡：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE5MDY2MA==.html X+Y轴斜坡：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE5MTY1Mg==.html 遥控行驶：https://v.youku.com/v_show/id_XNDcxMzE5MjY2OA==.html |
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先说说硬件模块的选择 开发板一开始选择的是Arduino nano，到后面发现有两个问题。一个是加上wifi模块或者蓝牙模块后，nano体积小的优势就丧失了。另一个是有些模块只能工作在3.3v下，这样一来就需要额外再加一个电平转换模块。所以最终选择了esp32，使用了最常见的devkit v1开发板（ESP WROOM 32）。 姿态模块就是烂大街的MPU6050，不过我碰到一个问题，就是通过I2C读取MPU6050时，如果这时候SPI总线上有数据交换（我使用了一块SPI接口的TFT屏幕），就会导致I2C读取超时，这个问题一直没能很好的解决，所以最后换了块串口接口的MPU6050，算是曲线救国吧。 电机驱动模块是TB6612，体积小。我使用的是12V电压，卖家说如果超过10V有可能会爆电容，不过到目前为止，板子上面的钽电容还好好的，没有炸掉。 超声波测距也是烂大街的SR04，不过这个测量精度，只能是呵呵了。 小车上的屏幕，使用的是I2C接口的OLED屏，遥控器的屏幕，则是SPI接口的TFT屏。至于为什么要选择两种不同接口的屏幕，很简单，我是抱着学习的目的，所以两种接口都要试试。 电机是JGA25-370，减速比1:34，12线的霍尔编码器，另外再配个底座。之所以选择霍尔编码器，是因为我会在室外测试小车，所以尽量的选择了封闭式的编码器，如果你只是在室内测试的话，那就选择光电编码器，毕竟精度比霍尔编码器大了几十倍。 电池是普通的航模电池，1500mAh-4S-35C，足够我调试一整天了。 降压模块选择的是MP1584，一个转3.3V，一个转12V。另外加了一个40k的可调电阻，分压1/5给EPS32用来测量电池电压。这里有个小插曲，EPS32有两组ADC，第二组是和wifi冲突的，如果开启了wifi，就只能用第一组ADC了。 在室外测试的时候，发现蓝牙的通讯距离不够远，所以后期又增加了一块2.4GHz的无线传输模块，视距可以达到50米，再远我没试过，模块介绍是可以达到100米。但是距离是够了，丢包率却高的吓人，最后只能在程序中添加了校验和来解决这个问题。 一开始没想做遥控器的，后来发现用手机遥控起来不方便，就做了这么一个遥控器，直接用MPU6050控制。用起来很简单，遥控器拿在手里，然后手直接前后左右摆动就可以控制小车运动了。遥控器的硬件模块也差不多，电池是700mAH的，体积足够小，可以藏在开发板的下面。另外使用了一块充电＋升压一体的模块。 最后就是组装了，秉着简单、可重复利用的宗旨，使用了洞洞板、插座、电线、铜柱、螺丝，另外3D打印了支架用于固定屏幕和SR04，以及遥控器的盒子。 |
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本帖最后由 开在边缘 于 2020-6-16 18:47 编辑 软件的编写 最核心的就是PID算法了，基本知识就不多说了，网上关于PID算法的介绍实在太多了。这里我说一下自己的理解和碰到的问题。 在角度环（平衡环）中，一般都不用I，也就是积分，取而代之的是速度环。如果你的电机没有编码器的话，那就很难用上速度环了，这时候你可以使用角度环中的积分。我测试的时候，如果不用速度环，使用角度环中的积分也可以让小车平衡，就是效果没有速度环那么好。 在速度环中，我没有使用积分限幅。当你推动小车，打破平衡后，小车应该回到原点。此时如果使用了积分限幅，当小车移动距离太大的话，因为积分限幅了，就会导致小车无法回到原点。如果不用积分限幅的话，那么后期遥控小车运动的时候，速度就要人为控制了，否则速度太快，小车就无法保持平衡了。另外如果电机没有编码器的话，就无法使用速度环来控制小车的前后移动，此时可以通过改变角度环中的小车的平衡角度，变相的控制小车的前后移动。 转向环我是参照了速度环，将Z轴的角速度做为比例控制，同样可以很好的控制小车在静止状态和运动状态的转向。 调试PID参数时，最好是无线方式。一开始我是有线方式，结果小车翻车后，直接把开发板上的USB口给撅下来了，心疼10秒钟。还好开发板便宜，否则心都要滴血。后来写了简易的调试程序，直接通过TCP的方式进行调试。  在调试中，我发现如果先调试好角度环，然后再调试速度环的时候，无论怎么调，小车都会摆动的很厉害。后来网上查了很久，看到一篇文章，其中提到在调试速度环的时候，最好把角度环按比例减小一点。我把角度环整体减小到90%，再调试速度环，就非常顺了。同样的在调试转向环的时候，再把角度环和速度环整体减小一点，调试起来也方便了。 静态调试结束后，开始动态调试。如果不改动PID，我发现小车虽然可以运动起来，但是姿势很僵硬，特别是在急转弯的时候会扭扭歪歪。感觉就像是角度环强行的把小车掰正，导致了小车无法快速运动。参照之前的方式，在小车运动时，将PID参数按比例减小一点，就可以让小车很顺的前后移动和转弯了。 所以最后我给每一组PID参数，增加了2个参数，一个是静态状态下的比例参数，一个是动态状态下的比例参数。 另外电机的电压非常重要，如果不稳压的话，直接将电池接到电机驱动板上，会导致电压不稳，当电池电压下降的时候，小车就无法快速的恢复平衡，辛辛苦苦调好的参数，会随着电压的变化，而变得一无是处。 如果小车上装载重物，并且重心偏高的话，那么最好将PID参数放大一点，这样可以让小车尽快恢复平衡，否则小车左右摆动的幅度会越来越大，最后倒下。 |
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本帖最后由 开在边缘 于 2020-6-16 20:23 编辑 任务的分配 后期因为改用了ESP32的开发板，有两个CPU核心，Arduino默认只使用core1，core0是不使用的，这个就太浪费了。 我把MPU6050和PWM有关的任务，放在loop()里面，也就是core1上执行，剩下的无线通讯、屏幕显示、超声波测距等都放在core0上执行。 但是在实际开发中，在core0上执行的任务导致的看门狗问题一直困扰着我。 loop()里面的程序，执行时间再长，也不会引起看门狗复位，同时也不需要喂狗。这个应该是Arduino自己做了这些事情。 其他放在core0上执行的任务，如果程序执行时间过长，就会导致看门狗复位。我查了很多资料，无论是自己喂狗，还是索性关闭看门狗，都不起作用。最后我只能使用vTaskDelay(1)，让系统空闲1ms，就解决了这个问题。具体原因我也不知道为什么，我只是猜想，是不是因为系统空闲了，自动喂狗了？ 无线通讯 ESP32本身就支持WIFI和蓝牙，考虑室外的通讯距离，后期我又增加了一块额外的2.4GHz的无线串口模块（实测视距>50米）。 WIFI 这个主要用在一开始的调试阶段，ESP32连接WIFI后开启TCP Server，然后Windows下面编写了一个简易的TCP Client程序，进行PID参数的调节。 蓝牙 这个主要用于遥控，ESP32的蓝牙，是低功耗蓝牙＋经典蓝牙。开始的时候，我是使用的低功耗蓝牙，但是有一个问题，一直无法解决。直接使用ESP32的BLE例程，一个字都不改，当两块ESP32通过BLE连接后，有时候好好的，没问题。但是有时候短短几秒钟，就会断开连接。如果此时重连接，还是一样。这个问题，在使用BLinker时也存在。Blinker通过BLE连接ESP32后，有时候好好的，一直保持连接。有时候几秒钟后就自动断开连接了。折腾了好长时间，一直都不知道问题出在哪里，所以后期改用了经典蓝牙。 经典蓝牙用起来就简单多了，直接使用蓝牙串口，就和串口一样操作。不过同样也有一个问题，也一直无法解决。当2块ESP32通过蓝牙串口相连后，如果一块ESP32持续的向另一块ESP32发送数据，而此时接收数据的ESP32突然断电，这时候发送数据的那块ESP32会卡在发送程序中（我指的是蓝牙串口自己的发送程序），这样就导致了接收数据的ESP32上电后，就算再次连接成功，也无法接收到任何数据，而那块发送数据的ESP32则一直卡在发送程序中，除非重启。有意思的是，这块卡在发送程序中的ESP32，竟然看门狗也不起作用，不知道是为什么。 我尝试过，此时如果把发送数据的ESP32的蓝牙串口end掉，则马上会出现看门狗超时复位。如果把整个发送过程做为一个任务，就算结束这个任务，再开启这个任务，也没用。 这个问题表现出来的实际操作就是，当遥控器上电，通过蓝牙串口连接上平衡小车后，平衡小车开始回传数据给遥控器，此时如果关闭遥控器电源，再重新打开电源，遥控器可以通过蓝牙串口连接上平衡小车，也可以发送数据给平衡小车，但是无法接收到平衡小车的数据，因为平衡小车的发送程序卡住了。 2.4GHz的无线串口模块 这个主要用于室外的远距离遥控，我在室外测试的时候，最远视距50米，再远就没有尝试了，说明书上写的是可以达到100米。 不过啥东西都不是完美的，多多少少都有问题，这个模块的问题就是丢包率太高了。前期没有校验的时候，发现接收到的数据很多都是错误的，开始以为是距离远造成的干扰，但是后来发现距离1米内还是会丢包。最后没办法，程序中增加了校验位，用于剔除丢包的数据。不过剔除这些错误数据后，发现正确的数据没剩下多少了，带来的问题就是通讯速率的降低，导致的结果就是小车的运动总感觉慢半拍。 参数的保存 这个使用EEPROM来保存，这里要注意一点，如果你使用了Blinker，那就不要使用地址0-2047，这些地址被Blinker占用了。 这里我碰到过一个很奇怪的问题，有时候当我写EEPROM时，ESP32就重启了，连接串口后，显示的信息是地址不存在。 后来发现和电机通电有关，如果电机在运转，就会出现这个问题。如果电机不在运转，就没问题。 难道是电磁造成的干扰？ 这个问题困扰了我3天，3天后解决了，怎么解决的？我也不知道，因为我一个字也没改，就突然好了，不出问题了。真是搞不懂。 |
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本帖最后由 开在边缘 于 2020-6-16 20:41 编辑 最后总结一下 建议： 1、增加一个按钮，我称之为“急停按钮”。顾名思义，按下按钮，电机紧急停止，这个功能在调试的时候是非常管用的。同时在后期，可以为这个按钮增加单击、双击、三击等功能（类似鼠标）。在我的平衡小车上，双击可以更换屏幕显示的内容。另外在平衡小车上电的时候，如果按着按钮，就忽略无线通讯功能，这样在调试的时候可以排除遥控器上的问题。 2、急停功能除了考虑Y轴和X轴角度偏大，同时也要把电机卡死和电机空转考虑进去。 电机卡死：在一段时间内（比如300-500ms），当PWM大于一定数值，而编码器小于一定数值，就可以判断轮子卡住了 电机空转：当把平衡小车拿起来后，会因为速度环的原因，导致轮子一直在转，所以要考虑电机空转的问题。我的判断方法是，在一段时间内（比如300-500ms），如果遥控器并没有给出移动或者转向的指令，但是PWM一直保持最大值，则判断为平衡小车离地了，这时候就需要急停。 3、调试的时候，我发现在柔软的地面上（比如地毯、沙发），平衡小车会非常的稳定，30%的概率会达到完全静止，一动不动，直挺挺的站在那里。我觉得应该是柔软的地面，对平衡小车的轮子造成了很大的阻力，当电机的扭矩无法克服阻力时，这个扭矩会反作用在平衡小车的车体上。我在网上查了查国外的一些做的很好的平衡小车，发现他们使用的轮子都很大，看上去很重的样子。所以我猜想是不是在电机可驱动的范围内，适当增加轮子的重量，会对平衡小车的平衡能力起到很好的作用？ 还未解决的问题： 1、I2C接口读取数据时，如果此时SPI接口也在读写数据，会造成I2C超时。我试过把两者放在两个任务中，然后两个任务在不同cpu核上运行，也同样会超时。 2、低功耗蓝牙会莫名其妙断开连接。 3、经典蓝牙发送数据时，接收端突然断电，会导致发送端卡死在发送数据程序中。 4、转向环我是将Z轴的角速度做为比例控制，在运动状态下没什么问题，但是在静止状态下，有时候微小的Z轴方向的转动会检测不到（不知道是因为模块本身的问题，还是因为程序轮询的问题），这就导致了静止状态下不够稳定。我测试的时候，一般在30分钟内，小车会旋转偏离大概10-30度左右。 后期预计增加的功能： 1、增加一个线性ccd模块，用于循线。 2、增加一个舵机，用来旋转超声波测距模块，这样可以探测周边更大范围的距离。 |
| 您好我有一个问题，请问如果通过改变倾角的方式来控制小车前进的话，小车能否以固定的速度前进呢，我调试了好久，一直没有找到能够让小车保持固定速度前进的方法，求指点！谢谢~ |
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