【導(dǎo)讀】閑得沒事干，就想做一款成本低，易上手，最小配置和最基本功能的自平衡小車，其目的就是給那些沒有什么經(jīng)驗(yàn)的剛?cè)胄械男率謧兲峁┮粋€(gè)入門的解決方案。
1、項(xiàng)目概述
在網(wǎng)上看到各種制作自平衡小車的帖子，也跟著做了起來(lái)。因?yàn)榈谝淮巫觯睦餂]底，也就沒有投入過多的資金，一切按照最小配置進(jìn)行，所以選擇“TT馬達(dá)”，俗稱“香蕉電機(jī)”的小車底盤。
在等快遞送貨期間，才看到各種說用“香蕉電機(jī)”做自平衡小車的問題，最大的問題就是電機(jī)啟動(dòng)對(duì)傳感器和單片機(jī)的干擾問題，還有就是平衡的穩(wěn)定性不好等問題。在我以Arduino + MPU6050 + L298N為核心做完后，閑得沒事干，就想做一款成本低，易上手，最小配置和最基本功能的自平衡小車，其目的就是給那些沒有什么經(jīng)驗(yàn)的剛?cè)胄械男率謧兲峁┮粋€(gè)入門的解決方案。所以這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：
a、成本低；
b、目標(biāo)功能明確，就是實(shí)現(xiàn)小車的自平衡；
c、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；
d、調(diào)試、操作方便簡(jiǎn)單。
2、項(xiàng)目方案
基于上述目標(biāo)，本方案采用超聲波測(cè)距模塊作為小車平衡狀態(tài)的檢測(cè)，免去了對(duì)加速度、陀螺儀傳感器的理解和復(fù)雜處理算法。小車的平衡控制仍然采用網(wǎng)絡(luò)上流行的Arduino開源硬件，再加上電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 L298N，電機(jī)仍然采用TT馬達(dá)（香蕉電機(jī)）。
該方案為了降低成本，采用電位器調(diào)整設(shè)定小車的平衡參數(shù)，不使用藍(lán)牙無(wú)線模塊或有線串口在線調(diào)整參數(shù)。
用超聲波測(cè)距的方式實(shí)現(xiàn)的自平衡小車，網(wǎng)絡(luò)上有人提出這種方案無(wú)法在坡度變化的斜坡上保持平衡，這種說法經(jīng)過我的實(shí)踐，是有解決方案的，這個(gè)問題我將在后面進(jìn)行闡述。
平衡控制的算法還是采用平衡車中經(jīng)典的PD算法。
3、硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，以Arduino Nano為核心控制模塊，采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，供電采用7.4V/2200mAh鋰電池。圖中三個(gè)10K電位器分別用于平衡點(diǎn)設(shè)置、PD算法中Kp和Kd系數(shù)設(shè)置的調(diào)整。
電路原理圖如下所示：
圖中J1為HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，J2、J3為L(zhǎng)298N模塊，Arduino Nano為核心控制模塊，MG1、MG2分別為左右電機(jī)。
與之前用香蕉電機(jī)+MPU6050做的自平衡小車相比較要簡(jiǎn)單很多，在MPU6050方案中，用了兩塊電池，其中一塊單獨(dú)用于電機(jī)供電，而且L298N必須用光耦隔離的。
而用超聲波做的自平衡小車，雖然用的是TT馬達(dá)（俗稱香蕉電機(jī)），但僅一塊電池供電，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊也沒有光耦隔離，從最終調(diào)試后的效果上看，還比前者更穩(wěn)定。
成品照：
材料清單
這個(gè)材料清單比較完整，是帶遙控器的。在電商平臺(tái)可以收集齊全，大家可以i自行搜索。
4、程序設(shè)計(jì)
程序源代碼：http://www.52solution.com/auto-dl/7374
5、調(diào)試流程
最新版超聲平衡小車裝配完畢后如下圖所示。
串口調(diào)試助手程序：http://www.52solution.com/auto-dl/7375
a、準(zhǔn)備工作
將Kp與Kd調(diào)為0，調(diào)整方法是，旋轉(zhuǎn)電位器后，按下Arduino模塊上的復(fù)位鍵調(diào)整方可有效。調(diào)整后用串口調(diào)試助手（sscom42.exe）發(fā)送 “F”命令，讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值。在使用串口調(diào)試助手前，首先選擇串口調(diào)試助手對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，設(shè)置好波特率，方可發(fā)送上述命令讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值，操作界面如下圖所示。
第一個(gè)數(shù)據(jù)為平衡點(diǎn)設(shè)定值，第二個(gè)數(shù)據(jù)為Kp，第三個(gè)數(shù)據(jù)為Kd。
b、超聲波測(cè)距測(cè)試
發(fā)送相應(yīng)“L”命令，讀取超聲波的測(cè)距值，注意，這里不是實(shí)際的mm或cm值，而是對(duì)應(yīng)距離來(lái)回的傳播時(shí)間值，是單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)的輸出值。
操作界面如下圖所示。
第一個(gè)數(shù)為超聲波測(cè)距模塊的直接輸出值，第二個(gè)數(shù)為一階濾波后的值。改變超聲波測(cè)距模塊與被測(cè)界面的距離，這兩個(gè)值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，距離近，測(cè)得的值變小，距離遠(yuǎn)測(cè)得的值就增大。
c、尋找物理平衡點(diǎn)
在Kp、Kd為0時(shí)，用手尋找自平衡小車的物理平衡點(diǎn)，同時(shí)用“L”命令（500ms定時(shí)發(fā)送）讀取超聲波測(cè)量的返回值，確定平衡點(diǎn)的返回值，并記錄下來(lái)。
d、平衡點(diǎn)PB的設(shè)定
調(diào)整PB電位器，并在Arduino復(fù)位后，用“F”命令讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值，使得第一個(gè)返回的數(shù)據(jù)與上述確定的物理平衡點(diǎn)相一致。
e、判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向是否正確
在完成上述調(diào)整后，逐漸增大Kp（請(qǐng)記住，每次調(diào)整后，都必須復(fù)位Arduino模塊，調(diào)整才能生效），看到電機(jī)能夠動(dòng)作時(shí)，停止調(diào)整Kp。這時(shí)將超聲波模塊一端稍稍下壓（也就是使超聲波探頭與地面距離縮短），觀察兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，往前（超聲波測(cè)距模塊一端為前）轉(zhuǎn)測(cè)試正確的，往后轉(zhuǎn)則說明相應(yīng)的電機(jī)兩根線接反了，將接反的線調(diào)換過來(lái)即可。
f、Kp參數(shù)整定
在電機(jī)接線正確后，再逐漸增大Kp，使得小車能夠來(lái)回有點(diǎn)擺動(dòng)即可進(jìn)入調(diào)整Kd參數(shù)階段。
g、Kd參數(shù)整定
在調(diào)整完Kp后，逐漸增大Kd，使得擺動(dòng)消失，如果繼續(xù)增大Kd，小車會(huì)出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)，此時(shí)將Kd往回調(diào)整，使得抖動(dòng)消失即可。
h、平衡點(diǎn)PB的進(jìn)一步調(diào)整
在上述參數(shù)調(diào)整完畢后，小車一般就能保持平衡了，如果出現(xiàn)小車往一邊跑的現(xiàn)象，可通過調(diào)整PB電位器加以修正。如果小車往前跑（超聲波模塊一端為前），調(diào)整PB使得平衡點(diǎn)設(shè)定值增大；如果小車往后跑，調(diào)整PB使得平衡點(diǎn)設(shè)定值減小，直到小車能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定為止。
6、總結(jié)與展望
超聲自平衡小車的基本版已經(jīng)完成，在制作過程中與我之前用MPU6050制作的小平衡車相比有以下幾點(diǎn)體會(huì)：
a、在用TT馬達(dá)的情況下，如果系統(tǒng)使用同一組電池供電，電機(jī)一啟動(dòng)Arduino與MPU6050立即死機(jī)，或者M(jìn)PU6050的數(shù)據(jù)受干擾極為嚴(yán)重，不可使用。解決辦法是用另一組電池單獨(dú)給L298N供電，并且L298N要選擇帶光耦隔離的。但同樣的使用TT馬達(dá)的情況下，用超聲波測(cè)距方案，系統(tǒng)僅用一組電池即可，而且L298N也無(wú)需光耦隔離，系統(tǒng)很穩(wěn)定。
b、超聲波傳感器的選擇要選擇最小測(cè)量周期短的模塊，第一次我使用的是US-015 超聲波測(cè)距模塊，US-015是目前市場(chǎng)上分辨率最高，重復(fù)測(cè)量一致性最好的超聲波測(cè)距模塊，US-015的分辨率高于1mm，可達(dá)0.5mm，測(cè)距精度高，重復(fù)測(cè)量一致性好，測(cè)距穩(wěn)定可靠。但他的最小測(cè)量周期大于10ms，而且對(duì)輸出數(shù)據(jù)經(jīng)常有跳動(dòng)（這是由于它的靈敏度很高，在近距離時(shí)超聲波在模塊與地面之間的來(lái)回反射的二次信號(hào)都能被檢測(cè)到），為此在地面墊上一個(gè)地毯吸收了部分能量的超聲波，才能穩(wěn)定工作。在第二版中更換了HC-SR04超聲波模塊，這個(gè)模塊的測(cè)距精度雖然只有3mm，但它的最小測(cè)量周期僅略大于3ms。但這種模塊市場(chǎng)上有兩種，一種沒有晶體，一種是帶晶體的，帶晶體的很不穩(wěn)定，建議大家不要選擇。
c、小車的平衡穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，建議在結(jié)構(gòu)上，重心越低越好。
d、另外，我還做了一個(gè)對(duì)比測(cè)試，數(shù)據(jù)見下表：
誤差絕對(duì)值是指小車在一段時(shí)間內(nèi)，實(shí)測(cè)距離與設(shè)定平衡點(diǎn)距離誤差絕對(duì)值的平均值；濾波是指程序中對(duì)超聲波測(cè)量的距離濾波或不濾波直接使用；循環(huán)周期是程序中的延時(shí)時(shí)間，超聲波測(cè)量需要大約704us，一個(gè)周期大約為3.84ms，程序處理時(shí)間大約為136us.
