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发表于: 2018-9-3 22:47:10 | 显示全部楼层

在受到Segway的RYNO Motors电动独轮摩托车和其他自平衡滑板车的启发后，我一直想要制作一个类似的东西。基于这一点，我决定使用Arduino开发板制作一个自平衡机器人。通过这种方式，我将能够掌握所有这些踏板车背后的基本概念，并了解PID算法的工作原理。

在开始制作后，我意识到这个机器人制作起来有点挑战。有很多可供选择的选项，因而，从选择电机到调整PID值，充满着疑惑。还有许多事情需要考虑，如电池类型、电池位置、车轮把手、电机驱动器类型、维持CoG（重心）等等。

但是，一旦完成后，你会觉得它并不像听起来那么难。让我们开始面对吧，在本篇文章中，我们将主要学习制作自平衡机器人的知识。你可能是一个刚刚开始的纯初学者，或者可能在长时间没有让你的机器人工作的挫折之后来到这里。这个地方旨在成为您的最终目的地。让我们开始吧......

使用的零件

● Arduino UNO开发板

● 齿轮直流电机（黄色） - 2Nos

● L298N电机驱动器模块

● MPU6050

● 一对轮子

● 7.4V锂离子电池

● 连接导线

● 3D打印的车体

控制器：我在这里使用的控制器是Arduino UNO，为什么？因为它简单易用。您也可以使用Arduino Nano或Arduino mini，但我建议您坚持使用UNO，因为我们可以直接编程而无需任何外部硬件。

电机：毫无疑问，您可以使用自平衡机器人的最佳电机选择是步进电机。但为了简单起见，我使用了直流减速电机。是的，没有强制要求步进器；机器人也可以使用这些廉价的黄色直流减速电机。

电机驱动器：如果您选择了像我这样的直流减速电机，那么您可以使用像我这样的L298N驱动模块，甚至L293D应该可以正常工作。

轮子：不要低谷这些家伙；我很难搞清楚问题出在车轮上。因此，请确保您的车轮在您正在使用的地板上有良好的抓地力。仔细观察，你的抓地力永远不应该让你的车轮在地板上滑行。

加速度计和陀螺仪：机器人的加速度计和陀螺仪的最佳选择是MPU6050。因此，不要尝试使用像ADXL345这样的普通加速度计来制作，它不会起作用。在本文的最后你会知道为什么。

电池：我们需要一个尽可能轻的电池，工作电压应大于5V，这样我们就可以直接为Arduino供电而无需升压模块。因此理想的选择是7.4V锂聚合物电池。在这里，由于我有一个7.4V锂离子电池，我已经使用过它了。但请记住，Li-po比Li-ion更有优势。

车体：另一个你不应该忽视的地方是你的机器人车体。您可以使用纸板、木材、塑料制作您喜欢的任何东西。但是，只要确保车体坚固，并且在机器人试图平衡时不应该摆动。我在Solidworks上基于其他机器人设计了自己的车体，并打印出3D。如果您有打印机，那么您也可以打印设计，设计文件将附在下一个标题中。

3D打印和装配机器人

如果您决定使用3D打印我用于构建机器人的相同机箱，则可以从thingiverse下载STL文件。我还添加了设计文件，因此您也可以根据人员偏好进行修改。

这些部件没有悬垂结构，因此您可以在没有任何支撑的情况下轻松打印它们，并且25％的填充物可以正常工作。设计很简单，任何基本打印机都应该能够轻松处理。我使用Cura软件切割模型并使用我的Tevo Tarantula进行打印，设置如下所示。

您需要打印车身部件以及四个电机安装部件。组装非常简单；使用3mm螺母和螺栓将电机和电路板固定到位。组装后，它应该如下图所示。

实际设计计划L298N驱动模块在Arduino的底部机架中，以及电池在Arduino的顶部，如上图所示。如果您遵循相同的顺序，您可以通过提供的孔直接拧板，并使用锂电池的电线。这种排列也应该有效，除了我后来不得不改变的超级平轮。

在我的机器人中，我已经更换了电池和Arduino UNO板的位置以便于编程，并且还必须引入一个用于完成连接的穿孔板。所以我的机器人看起来不像我在初期阶段的计划。在完成布线编程测试和一切之后，我的机器人终于看起来像这样了

Circuit-Hardware-for-DIY-Self-Balancing-Robot-using-Arduino.jpg

电路原理图

为这个基于Arduino的自平衡机器人设计连接非常简单。我们只需将MPU6050与Arduino连接，然后通过电机驱动模块连接电机。整个装置由7.4V锂离子电池供电。其电路图如下所示。

Circuit-Diagram-for-DIY-Self-Balancing-Robot-using-Arduino.png

Arduino和L298N电机驱动器模块分别通过Vin引脚和12V端子直接供电。 Arduino板上的板载稳压器将输入7.4V转换为5V，ATmega IC和MPU6050将由它供电。直流电机可以从5V到12V的电压运行。但我们将7.4V正极线从电池连接到电机驱动模块的12V输入端子。这将使电机以7.4V运行。下表列出了MPU6050和L298N电机驱动器模块如何与Arduino连接。

元件引脚	Arduino引脚
MPU6050
VCC	+ 5V
Ground	GND
SCL	A5
SDA	A4
INT	D2
L298N
IN1	D6
IN2	D9
IN3	D10
IN4	D11

MPU6050通过I2C接口与Arduino通信，因此我们使用Arduino的SPI引脚A4和A5。 DC电机分别连接到PWM引脚D6、D9、D10和D11。我们需要将它们连接到PWM引脚，因为我们将通过改变PWM信号的占空比来控制直流电机的速度。

电梯直达

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风筝

发表于: 2018-9-3 23:17:47 | 显示全部楼层

沙发

编程自平衡机器人

现在我们需要对Arduino UNO开发板进行编程以平衡机器人。这就是所有神奇魔法发生的地方；它背后的概念很简单。我们需要通过使用MPU6050来检查机器人是否向前倾斜或向后倾斜，然后如果它向前倾斜我们必须向前旋转车轮，如果它向后倾斜我们必须在相反的方向旋转车轮。

同时我们还必须控制车轮旋转的速度，如果机器人从中心位置略微迷失方向，车轮会缓慢旋转，并且当车辆离中心位置越来越远时速度会增加。为了实现这个逻辑，我们使用PID算法，其中心位置为设定点，迷失方向的强度为输出。

要知道机器人的当前位置，我们使用MPU6050，它是一个6轴加速度计和陀螺仪传感器相结合。为了从传感器获得可靠的位置值，我们需要使用加速度计和陀螺仪的值，因为加速度计的值存在噪声问题，陀螺仪的值会随时间漂移。因此，我们必须结合两者并获得我们的机器人的偏航俯仰和滚动的值，其中我们将仅使用偏航的值。

听起来有点头晕吗？但是不用担心，在Arduino社区，我们有现成的库，可以执行PID计算，也可以从MPU6050获得偏航值。该库分别由br3ttb和jrowberg开发。在从以下链接下载这些库之前，先将它们添加到您的Arduino lib目录中。

https://github.com/br3ttb/Arduino-PID-Library/blob/master/PID_v1.h

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

现在，我们已将库添加到Arduino IDE中。让我们开始为自平衡机器人编程。我们在本页末尾处给出了项目的完整代码，这里我们只是解释代码中最重要的代码片段。在介绍这些代码之前，我们先声明，代码是建立在MPU6050示例代码之上的，我们只是为了目的优化代码，并为我们的自平衡机器人添加PID和控制技术。

首先，我们包括此程序工作所需的库。包括内置I2C库、我们刚刚下载的PID库和MPU6050库。

#include "I2Cdev.h"
#include <PID_v1.h> //From https://github.com/br3ttb/Arduino-PID-Library/blob/master/PID_v1.h
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h" //https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

复制代码

然后我们声明从MPU6050传感器获取数据所需的变量。我们读取了重力矢量和四元数值，然后计算机器人的偏航俯仰和滚转值。浮点数组ypr [3]将保存最终结果。

// MPU control/status vars
bool dmpReady = false; // set true if DMP init was successful
uint8_t mpuIntStatus; // holds actual interrupt status byte from MPU
uint8_t devStatus; // return status after each device operation (0 = success, !0 = error)
uint16_t packetSize; // expected DMP packet size (default is 42 bytes)
uint16_t fifoCount; // count of all bytes currently in FIFO
uint8_t fifoBuffer[64]; // FIFO storage buffer
// orientation/motion vars
Quaternion q; // [w, x, y, z] quaternion container
VectorFloat gravity; // [x, y, z] gravity vector
float ypr[3]; // [yaw, pitch, roll] yaw/pitch/roll container and gravity vector

复制代码

接下来是代码中非常重要的部分，这是您在调整正确的值集时花费很长时间的地方。如果您的机器人具有非常好的重心并且组件对称排列（在大多数情况下不是），那么您的设定点的值将为180。否则将您的机器人连接到Arduino串行监视器并将其倾斜直到你找到了一个很好的平衡位置，读取串行监视器上显示的值，这是你的设定值。 Kp、Kd和Ki的值必须根据您的机器人进行调整。没有两个相同的机器人将具有相同的Kp、Kd和Ki值，因此没有方法避免。

/*********Tune these 4 values for your BOT*********/
double setpoint= 176; //set the value when the bot is perpendicular to ground using serial monitor.
//Read the project documentation on circuitdigest.com to learn how to set these values
double Kp = 21; //Set this first
double Kd = 0.8; //Set this secound
double Ki = 140; //Finally set this
/******End of values setting*********/

复制代码

在接下来的代码中，我们通过传递输入变量输入、输出、设定点、Kp、Ki和Kd来初始化PID算法。其中我们已经在上面的代码片段中设置了设定点Kp、Ki和Kd的值。输入值将是从MPU6050传感器读取的偏航的当前值，输出值将是PID算法计算的值。因此，基本上PID算法将为我们提供一个输出值，该输出值应该用于将输入值校正为接近设定点。

PID pid(&input, &output, &setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);

复制代码

在void setup()函数中，我们通过配置DMP（数字运动处理器）初始化MPU6050。这将有助于我们将加速度计数据与陀螺仪数据相结合，并提供可靠的偏航、俯仰和滚转值。我们不会深入研究这一点，因为它远远超出了主题。无论如何，您必须在setup函数中查找的一段代码是陀螺仪偏移值。每个MPU6050传感器都有自己的偏移值，您可以使用此Arduino草图计算传感器的偏移值，并在程序中相应更新以下行。

// supply your own gyro offsets here, scaled for min sensitivity
mpu.setXGyroOffset(220);
mpu.setYGyroOffset(76);
mpu.setZGyroOffset(-85);
mpu.setZAccelOffset(1688);

复制代码

我们还必须初始化我们用来连接电机的数字PWM引脚。在我们的例子中，使用的是D6、D9、D10和D11。因此我们初始化这些引脚为输出引脚，默认为低电平。

//Initialise the Motor outpu pins
pinMode (6, OUTPUT);
pinMode (9, OUTPUT);
pinMode (10, OUTPUT);
pinMode (11, OUTPUT);
//By default turn off both the motors
analogWrite(6,LOW);
analogWrite(9,LOW);
analogWrite(10,LOW);
analogWrite(11,LOW);

复制代码

在loop函数内部，我们检查MPU6050的数据是否可以读取。如果是，则我们使用它来计算PID值，然后在串行监视器上显示PID的输入和输出值，以检查PID的响应方式。然后根据输出值我们决定机器人是向前还是向后移动还是静止不动。

因为我们假设当机器人直立时MPU6050将返回180。当机器人向前倾斜时，我们将获得正值校正值，如果机器人向后倾斜，我们将得到负值。所以我们检查这个条件并调用相应的函数来移动机器人前进或后退。

while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize)
{
//no mpu data - performing PID calculations and output to motors
pid.Compute();
//Print the value of Input and Output on serial monitor to check how it is working.
Serial.print(input); Serial.print(" =>"); Serial.println(output);
if (input>150 && input<200){//If the Bot is falling
if (output>0) //Falling towards front
Forward(); //Rotate the wheels forward
else if (output<0) //Falling towards back
Reverse(); //Rotate the wheels backward
}
else //If Bot not falling
Stop(); //Hold the wheels still
}

复制代码

PID输出变量还决定了电机旋转的速度。如果机器人即将摔倒，那么我们通过缓慢旋转车轮进行微小修正。如果这些小的校正工作仍然有效，但如果机器人跌落，我们会提高电机的速度。车轮旋转的速度值将由PI算法决定。请注意，对于Reverse函数，我们将输出值乘以-1，以便我们可以将负值转换为正值。

void Forward() //Code to rotate the wheel forward
{
analogWrite(6,output);
analogWrite(9,0);
analogWrite(10,output);
analogWrite(11,0);
Serial.print("F"); //Debugging information
}
void Reverse() //Code to rotate the wheel Backward
{
analogWrite(6,0);
analogWrite(9,output*-1);
analogWrite(10,0);
analogWrite(11,output*-1);
Serial.print("R");
}
void Stop() //Code to stop both the wheels
{
analogWrite(6,0);
analogWrite(9,0);
analogWrite(10,0);
analogWrite(11,0);
Serial.print("S");
}

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风筝

发表于: 2018-9-3 23:26:01 | 显示全部楼层

板凳

Arduino自平衡机器人的工作过程

准备好硬件后，可以将代码上传到Arduino开发板。确保连接正确，因为我们使用的是锂离子电池，需要特别小心。因此，请仔细检查是否存在短路，并确保即使您的机器人遇到一些小的影响，端子也不会短接。启动模块并打开串行监视器，如果您的Arduino可以成功与MPU6050通信，并且如果一切正常，您应该看到以下界面。