找回密碼
 立即注冊

QQ登錄

只需一步，快速開始

搜索
查看: 10296|回復(fù): 0
打印 上一主題 下一主題
收起左側(cè)

Arduino Nano DIY超聲波測距平衡小車源碼與資料分享

  [復(fù)制鏈接]
跳轉(zhuǎn)到指定樓層
樓主
ID:235638 發(fā)表于 2018-10-13 15:55 | 只看該作者 回帖獎勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
采用Arduino Nano控制模塊制作的超聲波測距平衡小車

1、項(xiàng)目概述
因?yàn)榈谝淮沃谱髯云胶庑≤�，心里沒底，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)啟動對傳感器和單片機(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、操作方便簡單。

2、項(xiàng)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(jī)驅(qū)動模塊 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(shí)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(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(jī)驅(qū)動模塊，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(jī)。
  • 器件采購清單見附件
  • 程序設(shè)計(jì)
程序源代碼見附件
6、調(diào)試流程
超聲平衡小車裝配完畢后如下圖所示。

串口調(diào)試助手程序見附件
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(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(shí)際的mm或cm值，而是對應(yīng)距離來回的傳播時(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。改變超聲波測距模塊與被測界面的距離，這兩個(gè)值會發(fā)生相應(yīng)的改變，距離近，測得的值變小，距離遠(yuǎn)測得的值就增大。
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）讀取超聲波測量的返回值，確定平衡點(diǎn)的返回值，并記錄下來。
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(jī)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(jī)接線正確后，再逐漸增大Kp，使得小車能夠來回有點(diǎn)擺動即可進(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，使得擺動消失，如果繼續(xù)增大Kd，小車會出現(xiàn)明顯的抖動，此時(shí)將Kd往回調(diào)整，使得抖動消失即可。
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，直到小車能夠長時(shí)間穩(wěn)定為止。
7、照片
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(diǎn)體會：
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(dá)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(shí)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(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(gè)對比測試，數(shù)據(jù)見下表：
誤差絕對值是指小車在一段時(shí)間內(nèi)，實(shí)測距離與設(shè)定平衡點(diǎn)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(shí)時(shí)間，超聲波測量需要大約704us，一個(gè)周期大約為3.84ms，程序處理時(shí)間大約為136us，實(shí)測波形圖如下。
超聲測距波形圖：
3ms延時(shí)的一個(gè)周期波形圖：
通過以上對比分析，當(dāng)一個(gè)循環(huán)周期大于20ms時(shí)，小車很難長時(shí)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(shí)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(gè)方案是沒有嚴(yán)重的缺陷的。因?yàn)樽云胶庑≤嚤旧砭陀泻芏嗑窒扌�，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(gè)麻雀雖小五臟俱全的項(xiàng)目，譬如小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)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(jì)、電機(jī)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)自己的東西，無論成功與失敗，哪怕做一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的總結(jié)也是對大家的貢獻(xiàn)。希望大家在DIY這個(gè)樂園里無拘無束的、自由自在的、快快樂樂的玩耍�。�！
9、后記
在完成上述工作之后，又進(jìn)行了一些不成系統(tǒng)的零散實(shí)驗(yàn)性的工作。第一項(xiàng)工作是在上述平臺上增加了一個(gè)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(shí)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(shí)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(jī)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(yùn)動的各種障礙物，第三個(gè)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(xiàng)工作的驗(yàn)證比較簡單，就是在有測速單元的小車上，同時(shí)增加PWM輸出模擬測速，將兩個(gè)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(xiàng)工作是，在原有的平臺上增加了一個(gè)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(diǎn)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(shí)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(gè)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(xiàng)工作是增加了一個(gè)四通道遙控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能，這項(xiàng)工作中就利用PWM的輸出近似得出小車的速度。這個(gè)遙控開關(guān)也很便宜，雖然只有A、B、C、D四個(gè)按鍵，但可以輕易的做到八個(gè)有效狀態(tài)的控制。這八個(gè)狀態(tài)分別為：A、B、C、D、AB、CD、AC、BD。


Arduino Nano源程序如下:
  1. //利用超聲波測距傳感器實(shí)現(xiàn)小車平衡
  2. char val='z'; //調(diào)節(jié)與控制命令字
  3. double Kp=0.01, Kd=0.02; //PID系數(shù)
  4. unsigned int PB_ad=0, KP_ad=0, KD_ad=0, i; //平衡點(diǎn)調(diào)整，PID各調(diào)整設(shè)定系數(shù)
  5. unsigned int Len_Echo = 0; //回波時(shí)間
  6. int E_0 = 0, E_1 = 0, PWM_Out; //誤差，PWM輸出
  7. double Len_filter = 0, Len_0 = 100; //測距濾波，機(jī)械平衡距離
  8. unsigned int TrigPin = 4; //HC-SR04觸發(fā)信號
  9. unsigned int EchoPin = 5; //HC-SR04回波檢測
  10. unsigned int M_IN1 = 6; // L298-IN1
  11. unsigned int M_IN2 = 7; // L298-IN2
  12. unsigned int M_IN3 = 8; // L298-IN3
  13. unsigned int M_IN4 = 9; // L298-IN4
  14. unsigned int M_ENA = 10; // L298-ENA
  15. unsigned int M_ENB = 11; // L298-ENB
  16. //初始化
  17. void setup() {
  18.   Serial.begin(115200);
  19.   pinMode(M_ENA, OUTPUT); //電機(jī)控制
  20.   pinMode(M_IN1, OUTPUT);
  21.   pinMode(M_IN2, OUTPUT);
  22.   pinMode(M_ENB, OUTPUT);
  23.   pinMode(M_IN3, OUTPUT);
  24.   pinMode(M_IN4, OUTPUT);   
  25.   pinMode(EchoPin, INPUT); //超聲波測距
  26.   pinMode(TrigPin, OUTPUT);
  27.   digitalWrite(TrigPin, LOW);
  28.   for(i=0; i<64; i++) {
  29.     PB_ad += analogRead(A0); //讀取平衡點(diǎn)電位器設(shè)定值
  30.     KP_ad += analogRead(A1); //讀取PID-P電位器設(shè)定值
  31.     KD_ad += analogRead(A2); //讀取PID-D電位器設(shè)定值
  32.   }
  33.   Kp *= KP_ad/64; //Kp = 3.23;
  34.   Kd *= KD_ad/64; //Kd = 8.14;
  35.   Len_0 += PB_ad/640; //Len_0 = 189;
  36.   i = 0;
  37. }
  38. //主循環(huán)程序
  39. void loop() {
  40.   if (Serial.available() > 0) {
  41.     val = Serial.read();
  42.     if(val == 'F') {
  43.       Serial.print(Len_0); Serial.print("\t"); Serial.print(Kp); Serial.print("\t"); Serial.println(Kd);//查看設(shè)置參數(shù)
  44.     }
  45.     if(val == 'L') {
  46.       Serial.print(Len_Echo); Serial.print("\t"); Serial.println(Len_filter); //查看傳感器實(shí)測值,濾波值
  47.     }
  48.   }
  49.   digitalWrite(TrigPin, HIGH); //發(fā)送超聲波測量觸發(fā)脈沖
  50.   delayMicroseconds(10);
  51.   digitalWrite(TrigPin, LOW);
  52.   Len_Echo = pulseIn(EchoPin, HIGH); //回波時(shí)間測量
  53.   if((Len_Echo < 300) && (Len_Echo > 70)) {
  54.     Len_filter *= 0.7; //一階互補(bǔ)濾波
  55.     Len_filter += 0.3*Len_Echo;
  56.     i ++;
  57.     if(i > 50){
  58.       E_0 = Len_0 - Len_filter;
  59.       PWM_Out = Kp * E_0 + Kd * (E_0 - E_1);
  60.       E_1 = E_0;
  61.       i = 100;
  62.       SetMotorVoltage(PWM_Out);
  63.     }   
  64.   }else {
  65.     SetMotorVoltage(0); //超出平衡范圍，停止PWM輸出
  66.   }
  67.   delay(5); //延時(shí)5毫秒，保證超聲測距可靠工作
  68. }
  69. //電機(jī)輸出
  70. void SetMotorVoltage(int MotorVol) {
  71.   if(MotorVol >=0) {
  72.     digitalWrite(M_IN1, LOW);
  73.     digitalWrite(M_IN2, HIGH);
  74.     digitalWrite(M_IN3, LOW);
  75.     digitalWrite(M_IN4, HIGH);
  76.   }else {
  77.     digitalWrite(M_IN1, HIGH);
  78.     digitalWrite(M_IN2, LOW);
  79.     digitalWrite(M_IN3, HIGH);
  80.     digitalWrite(M_IN4, LOW);
  81.     MotorVol = -MotorVol;
  82.   }
  83.   if(MotorVol > 255) MotorVol = 255; //防止PWM值超過255
  84.   analogWrite(M_ENA, MotorVol);
  85.   analogWrite(M_ENB, MotorVol);
  86. }

復(fù)制代碼

所有資料51hei提供下載:
超聲自平衡小車程序.zip (1.51 KB, 下載次數(shù): 97)
采用Arduino Nano控制模塊制作的超聲波測距平衡小車設(shè)計(jì)報(bào)告.doc (1.55 MB, 下載次數(shù): 33)
串口調(diào)試助手程序.zip (338.41 KB, 下載次數(shù): 94)
器件采購清單.doc (650 KB, 下載次數(shù): 29)


評分

參與人數(shù) 2黑幣 +58 收起 理由
定不負(fù)全卿 + 8 絕世好帖！
admin + 50 共享資料的黑幣獎勵(lì)！

查看全部評分

分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空間QQ空間 騰訊微博騰訊微博 騰訊朋友騰訊朋友
收藏收藏7 分享淘帖 頂頂2 踩踩
回復(fù)

使用道具 舉報(bào)

您需要登錄后才可以回帖 登錄 | 立即注冊

本版積分規(guī)則

手機(jī)版|小黑屋|51黑電子論壇 |51黑電子論壇6群 QQ 管理員QQ:125739409;技術(shù)交流QQ群281945664

Powered by 單片機(jī)教程網(wǎng)

快速回復(fù) 返回頂部 返回列表