超聲自平衡小車（新手入門自平衡小車方案）

ID:113207 · 發(fā)表于 2016-4-10 01:37

1、項目概述

2015年底在網(wǎng)上看到各種制作自平衡小車的帖子，也跟著做了起來。因為第一次做，心里沒底，也就沒有投入過多的資金，一切按照最小配置進行，所以選擇“TT馬達”，俗稱“香蕉電機”的小車底盤。在等快遞送貨期間，才看到各種說用“香蕉電機”做自平衡小車的問題，最大的問題就是電機啟動對傳感器和單片機的干擾問題，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)驗的剛?cè)胄械男率謧兲峁┮粋€入門的解決方案。所以這個項目的目標(biāo)有以下幾點：

a、成本低；

b、目標(biāo)功能明確，就是實現(xiàn)小車的自平衡；

c、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；

d、調(diào)試、操作方便簡單。

2、項目方案

基于上述目標(biāo)，本方案采用超聲波測距模塊作為小車平衡狀態(tài)的檢測，免去了對加速度、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，再加上電機驅(qū)動模塊 L298N，電機仍然采用TT馬達（香蕉電機）。

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)，不使用藍牙無線模塊或有線串口在線調(diào)整參數(shù)。

用超聲波測距的方式實現(xiàn)的自平衡小車，網(wǎng)絡(luò)上有人提出這種方案無法在坡度變化的斜坡上保持平衡，這種說法經(jīng)過我的實踐，是有解決方案的，這個問題我將在后面進行闡述。

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

硬件設(shè)計比較簡單，以Arduino Nano為核心控制模塊，采用HC-SR04超聲波測距模塊，L298N電機驅(qū)動模塊，供電采用7.4V/2200mAh鋰電池。圖中三個10K電位器分別用于平衡點設(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超聲波測距模塊，J2、J3為L298N模塊，Arduino Nano為核心控制模塊，MG1、MG2分別為左右電機。

與之前用香蕉電機+MPU6050做的自平衡小車相比較要簡單很多，在MPU6050方案中，用了兩塊電池，其中一塊單獨用于電機供電，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（俗稱香蕉電機），但僅一塊電池供電，L298N電機驅(qū)動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

這個材料清單比較完整，是帶遙控器的。

4、器材采購

a、Arduino Nano模塊

b、HC-SR04 超聲波模塊

注意，HC-SR04超聲波模塊，寶上有兩種，我們用的是這種不帶晶體的，還有種帶晶體（見下圖）3.80元左右不要買，在近距離不穩(wěn)定，另外測量的最小周期要稍長一些。

c、L298N電機驅(qū)動模塊

d、TT馬達及固定件

e、電池及充電器

5、程序設(shè)計

程序源代碼：

v2.4.zip (7.66 KB, 下載次數(shù): 97)

程序很簡單，總共不到90行，有不明之處請留言

6、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

SSCOM32.zip (351.78 KB, 下載次數(shù): 25)

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)試助手對應(yīng)的串口號，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。

第一個數(shù)據(jù)為平衡點設(shè)定值，第二個數(shù)據(jù)為Kp，第三個數(shù)據(jù)為Kd。

b、超聲波測距測試

發(fā)送相應(yīng)“L”命令，讀取超聲波的測距值，注意，這里不是實際的mm或cm值，而是對應(yīng)距離來回的傳播時間值，是單片機內(nèi)部計時的輸出值。

操作界面如下圖所示。

第一個數(shù)為超聲波測距模塊的直接輸出值，第二個數(shù)為一階濾波后的值。改變超聲波測距模塊與被測界面的距離，這兩個值會發(fā)生相應(yīng)的改變，距離近，測得的值變小，距離遠測得的值就增大。

c、尋找物理平衡點

在Kp、Kd為0時，用手尋找自平衡小車的物理平衡點，同時用“L”命令（500ms定時發(fā)送）讀取超聲波測量的返回值，確定平衡點的返回值，并記錄下來。

d、平衡點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，使得第一個返回的數(shù)據(jù)與上述確定的物理平衡點相一致。

e、判斷電機運轉(zhuǎn)方向是否正確

在完成上述調(diào)整后，逐漸增大Kp（請記住，每次調(diào)整后，都必須復(fù)位Arduino模塊，調(diào)整才能生效），看到電機能夠動作時，停止調(diào)整Kp。這時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），觀察兩個電機的轉(zhuǎn)動方向，往前（超聲波測距模塊一端為前）轉(zhuǎn)測試正確的，往后轉(zhuǎn)則說明相應(yīng)的電機兩根線接反了，將接反的線調(diào)換過來即可。

f、Kp參數(shù)整定

在電機接線正確后，再逐漸增大Kp，使得小車能夠來回有點擺動即可進入調(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，使得擺動消失，如果繼續(xù)增大Kd，小車會出現(xiàn)明顯的抖動，此時將Kd往回調(diào)整，使得抖動消失即可。

h、平衡點PB的進一步調(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使得平衡點設(shè)定值增大；如果小車往后跑，調(diào)整PB使得平衡點設(shè)定值減小，直到小車能夠長時間穩(wěn)定為止。

7、照片與視頻

8、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體會：

a、在用TT馬達的情況下，如果系統(tǒng)使用同一組電池供電，電機一啟動Arduino與MPU6050立即死機，或者MPU6050的數(shù)據(jù)受干擾極為嚴重，不可使用。解決辦法是用另一組電池單獨給L298N供電，并且L298N要選擇帶光耦隔離的。但同樣的使用TT馬達的情況下，用超聲波測距方案，系統(tǒng)僅用一組電池即可，而且L298N也無需光耦隔離，系統(tǒng)很穩(wěn)定。

b、超聲波傳感器的選擇要選擇最小測量周期短的模塊，第一次我使用的是US-015 超聲波測距模塊，US-015是目前市場上分辨率最高，重復(fù)測量一致性最好的超聲波測距模塊，US-015的分辨率高于1mm，可達0.5mm，測距精度高，重復(fù)測量一致性好，測距穩(wěn)定可靠。但他的最小測量周期大于10ms，而且對輸出數(shù)據(jù)經(jīng)常有跳動（這是由于它的靈敏度很高，在近距離時超聲波在模塊與地面之間的來回反射的二次信號都能被檢測到），為此在地面墊上一個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，這個模塊的測距精度雖然只有3mm，但它的最小測量周期僅略大于3ms。但這種模塊市場上有兩種，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，我還做了一個對比測試，數(shù)據(jù)見下表：

誤差絕對值是指小車在一段時間內(nèi)，實測距離與設(shè)定平衡點距離誤差絕對值的平均值；濾波是指程序中對超聲波測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時間，超聲波測量需要大約704us，一個周期大約為3.84ms，程序處理時間大約為136us，實測波形圖如下。

超聲測距波形圖：

3ms延時的一個周期波形圖：

通過以上對比分析，當(dāng)一個循環(huán)周期大于20ms時，小車很難長時間保持平衡了，另外重心的升高，平衡的穩(wěn)定性明顯變差。

e、下一步選擇具有測速功能的小車底盤，實現(xiàn)上下坡、下臺階等復(fù)雜動作，不為別的，只是證明超聲自平衡小車這個方案是沒有嚴重的缺陷的。因為自平衡小車本身就有很多局限性，譬如他能下臺階就不能上臺階吧，也不能在極不平坦的路上行走等等。

f、最后，我想說明一下，自平衡小車雖然簡單，但也是一個麻雀雖小五臟俱全的項目，譬如小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機的響應(yīng)、扭矩的大小、小車的輪胎的選擇、PID的調(diào)參等等都會影響到小車的平衡穩(wěn)定性。我們在網(wǎng)上看到的資料大都是說傳感器、程序和調(diào)參，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機的選擇（明確的參數(shù)數(shù)據(jù)對比）等方面都很欠缺或不完整，沒有充分的說服力。很多新人就想學(xué)校的實驗課程一樣，僅僅照別人的做法做了一遍，沒有太大的收獲，特別是碰到問題不知道如何深入分析。大家在DIY的過程中都做出點自己的東西，無論成功與失敗，哪怕做一些經(jīng)驗和教訓(xùn)的總結(jié)也是對大家的貢獻。希望大家在DIY這個樂園里無拘無束的、自由自在的、快快樂樂的玩耍！！！

加“全棉地毯”是由于US-015的超聲波測距模塊在一般的反射面情況下，并且超聲測量周期小于40ms時，返回值經(jīng)常出現(xiàn)異常，我用示波器觀察的波形與返回的實測數(shù)據(jù)是完全一致的。現(xiàn)附上波形示意圖如下：

在實測過程中，我發(fā)現(xiàn)在超聲波的探測面朝上工作時，我用小塊的障礙物測試時，并不出現(xiàn)上述現(xiàn)象。我分析可能是由于朝下時，反射面比較大，可能是超聲波在小車與地面之間來回反射造成的某種干擾，后來我就想到用“全棉地毯”吸收部分超聲波能量，避免來回反射造成測距的干擾。因為測量周期大于40ms的話，整個調(diào)整就反應(yīng)不過來了。

這里告訴大家，任何事、或者任何方案都有可能會出現(xiàn)一些意想不到的問題的。當(dāng)時選擇US-015是考慮到它的測距精度高，探測精度0.1cm+1%。

今天我換上HC-SR04模塊，這個模塊的探測精度要差一些，給的指標(biāo)是3mm。但我通過測試發(fā)現(xiàn)，就在桌面和其他普通界面不存在US-015的那種問題，而且測量周期在小于4ms的情況下都能穩(wěn)定工作。

這就是今天發(fā)的照片跟以前的差別所在：1、小車運行的地面不同；2、超聲波測距模塊已經(jīng)更換了。

9、后記

在完成上述工作之后，又進行了一些不成系統(tǒng)的零散實驗性的工作。第一項工作是在上述平臺上增加了一個具有AB相編碼輸出的測速單元，將小車的速度控制作為最終目標(biāo)，以調(diào)整平衡設(shè)定距離來控制小車的速度為手段，這樣就可實現(xiàn)超聲自平衡小車在變化的坡度上保持動態(tài)穩(wěn)定平衡。

小車平衡算法一般有兩種：一種是平衡（角度或距離）PID + 速度PID；另一種是，速度PIDà平衡PID。這第二種就是用速度PID的輸出去改變平衡PID的目標(biāo)值。要實現(xiàn)超聲自平衡小車在變化的坡度上保持動態(tài)穩(wěn)定平衡，就必須采用這第二種控制算法。

另外，網(wǎng)絡(luò)上有些人利用控制電機的PWM輸出值，代替測速單元，近似的給出小車的速度。對于此問題我也簡單的測試和分析過，現(xiàn)簡要談?wù)勎覍︖@一問題的看法：這種方式在一定的條件下是可以近似替代的，前提是在水平的地面上，地面不能有影響小車運動的各種障礙物，第三個是小車的響應(yīng)不能太滯后。如果這三條不能滿足，此方案不可取。

這項工作的驗證比較簡單，就是在有測速單元的小車上，同時增加PWM輸出模擬測速，將兩個測速的結(jié)果輸出，對輸出的數(shù)據(jù)畫出曲線，就可直觀的看出兩者的差距。

另一項工作是，在原有的平臺上增加了一個升壓模塊，將L298N的Vin由以前的7.4V提高到12V，小車的穩(wěn)定性有一定的改觀，關(guān)于這一點一是通過觀察就可感覺到平衡的穩(wěn)定性有所提高，另外通過數(shù)據(jù)分析也可明顯的得出結(jié)論。在兩種電壓（注意，此時的Kp、Kd、PB等參數(shù)都要做相應(yīng)的調(diào)整，使得每種電壓下都是最佳狀態(tài)）下，將PID的輸出值（這個值是在輸出限制在255以內(nèi)之前的值），觀察超過255的頻數(shù)就可得出結(jié)論，如果超過255，在輸出之前被限制了，就說明這次調(diào)整是不到位的。

第三項工作是增加了一個四通道遙控開關(guān)，實現(xiàn)了小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能，這項工作中就利用PWM的輸出近似得出小車的速度。這個遙控開關(guān)也很便宜，雖然只有A、B、C、D四個按鍵，但可以輕易的做到八個有效狀態(tài)的控制。這八個狀態(tài)分別為：A、B、C、D、AB、CD、AC、BD。

遙控超聲自平衡小車視頻

坡度動態(tài)改變時的超聲自平衡小車視頻（拆了門板做的測試）

平面與坡度上的超聲自平衡小車

二代超聲自平衡小車視頻

第二代超聲自平衡小車：材料成本不超過90元人民幣；程序源代碼不超過90行；PID參數(shù)整定非常容易。

材料清單：

原理圖：

需要超聲自平衡小車程序源代碼的請加入QQ群：385432944

PID參數(shù)整定：
1、先根據(jù)你超聲波測距在平衡點處附近的實際返回值（通過串口發(fā)送“L”命令讀取實測值），將源代碼中的Len_0修改為“實際返回值” 減去50，編譯并下載程序；
2、將KD電位器設(shè)置為0，將KP設(shè)置到小車能明顯抵抗傾倒運動即可；
3、調(diào)整PB電位器，使得小車基本既不往前也不往后跑即可；
4、繼續(xù)增大KP，使得小車在原地有點前后擺動；
5、增大KD，使得小車擺動消失達到你滿意的平穩(wěn)程度即可。

新到60線測速碼盤和AB線編碼光電傳感器，上圖：

安裝示意圖：

測試實物連接照片（注意電機電源兩端要接個104電容，否則窄脈沖干擾）：

實測波形圖：

放假有東西玩了！！！

今天上午在第二代超聲自平衡小車上加裝了金屬碼盤（60線），帶AB相輸出的測速裝置，遇到點小坎坷，其中的B相輸出接觸不良，無奈又換成WTK-20（這個質(zhì)量的確要好些），但固定方式要改造，下午干了半天鉗工活，裝上后，吃完晚飯開始調(diào)程序，解決所謂的超聲自平衡小車不能在坡上平衡的問題。

剛剛調(diào)試完畢，非常興奮，把臥室的門板拆下來一邊墊高，建立了一個斜坡小環(huán)境，拍了兩段視頻：
一個是先在水平的地面上平衡，然后放到斜坡上平衡（是同一組參數(shù)）；
另一個是在斜坡上平衡，但坡度在平衡過程中是變化的。

正在上傳視頻，等上傳完畢后再供大家欣賞。

照片其實差不多，視頻還沒確認，就發(fā)兩張吧（晚上照的，不太清楚）

正面（跟二代差不多，仔細看就是多了4根線）

反面的測速裝置

原本在假期中解決這個問題，沒想到解決得還很順利（就是裝測速裝置，由于質(zhì)量問題，采購花時間，安裝時又反復(fù)了兩次）第三代超聲自平衡小車原理圖：

平面與坡度上的超聲自平衡小車視頻

其實超聲測距平衡車的坡度（變化）上平衡問題，換個思路就不是問題了，平衡車首要關(guān)注的是小車平衡，關(guān)注的是角度，控制的是小車速度的變化（加速度）；對于超聲波測距平衡車，其思路恰恰相反，關(guān)注的是速度，控制的是平衡角的變化，這樣問題就迎刃而解了！

昨天晚上升壓模塊到了，將用TT馬達做的超聲自平衡小車的電機電壓由以前的7.4V升到12V，重新調(diào)整了一下各參數(shù)，12V的比7.4V的穩(wěn)定性有所提高。

最近沒事，買了一個底盤，測了一下電機的響應(yīng)特性，順便將TT馬達（明顯看出性能很差）也測了一下，結(jié)果如下：

曲線模式

數(shù)據(jù)模式

每個電機測了三次，第一條曲線表示加電壓，不要看具體指，其實PWM都是給到了255。

這是在帶AB相輸出測速，好電機底盤上的超聲自平衡小車

下面是MPU6050的，用了兩組電池、光耦隔離電機驅(qū)動

視頻效果

ID:129469 · 發(fā)表于 2016-7-6 21:35

要是用串口MPU6050就好了，不知道怎么用！

ID:79544 · 發(fā)表于 2016-7-8 17:06

樓主強大佩服，用超聲波傳感器也可以做平衡車啊牛！

ID:135550 · 發(fā)表于 2016-7-30 21:33

太厲害了

ID:141658 · 發(fā)表于 2016-10-8 11:34

確實很牛，剛?cè)胄胁锁B看著很羨慕

ID:144498 · 發(fā)表于 2016-10-26 09:47

附上代碼就更好了

ID:186217 · 發(fā)表于 2017-4-5 10:48

想問一下有高級版的原理圖嗎

ID:309193 · 發(fā)表于 2018-4-16 16:58

這個主板換成mbed還能運行嗎

ID:309193 · 發(fā)表于 2018-4-16 17:01

這個主板換成mbed還可以運行嗎

ID:349932 · 發(fā)表于 2018-6-17 11:01

請問只是想搞的速度環(huán) 20孔光柵夠嘛

ID:346178 · 發(fā)表于 2018-6-29 19:10

可以循跡嗎？有循跡小車的平衡小車嗎？

ID:361651 · 發(fā)表于 2018-6-30 13:22

很不錯啊

ID:156629 · 發(fā)表于 2019-5-29 10:59

請問，測量電機特性的波形，用的是什么軟件。測量超聲波周期用的是什么軟件

ID:552656 · 發(fā)表于 2020-7-24 20:00

我看到了把臥室的門板拆下來

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超聲自平衡小車（新手入門自平衡小車方案）

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