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(xiàng)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?yàn)榈谝淮巫�，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)。

與之前用香蕉電機(jī)+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(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。

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(jī)驅(qū)動模塊

d、TT馬達(dá)及固定件

e、電池及充電器

5、程序設(shè)計(jì)

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(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(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！��！

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(shí)，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(shí)測數(shù)據(jù)是完全一致的�，F(xiàn)附上波形示意圖如下：

在實(shí)測過程中，我發(fā)現(xiàn)在超聲波的探測面朝上工作時(shí)，我用小塊的障礙物測試時(shí)，并不出現(xiàn)上述現(xiàn)象。我分析可能是由于朝下時(shí)，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?yàn)闇y量周期大于40ms的話，整個(gè)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(shí)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(gè)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(yùn)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(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。

遙控超聲自平衡小車視頻

坡度動態(tài)改變時(shí)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(diǎn)處附近的實(shí)際返回值（通過串口發(fā)送“L”命令讀取實(shí)測值），將源代碼中的Len_0修改為“實(shí)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(yùn)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(diǎn)前后擺動；
5、增大KD，使得小車擺動消失達(dá)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(shí)物連接照片（注意電機(jī)電源兩端要接個(gè)104電容，否則窄脈沖干擾）：

實(shí)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(diǎn)小坎坷，其中的B相輸出接觸不良，無奈又換成WTK-20（這個(gè)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(gè)斜坡小環(huán)境，拍了兩段視頻：
一個(gè)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(gè)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(shí)差不多，視頻還沒確認(rèn)，就發(fā)兩張吧（晚上照的，不太清楚）

正面（跟二代差不多，仔細(xì)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(gè)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(shí)間，安裝時(shí)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(shí)超聲測距平衡車的坡度（變化）上平衡問題，換個(gè)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(dá)做的超聲自平衡小車的電機(jī)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(gè)底盤，測了一下電機(jī)的響應(yīng)特性，順便將TT馬達(dá)（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(gè)電機(jī)測了三次，第一條曲線表示加電壓，不要看具體指，其實(shí)PWM都是給到了255。

這是在帶AB相輸出測速，好電機(jī)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(jī)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(qiáng)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(shí)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(gè)主板換成mbed還能運(yùn)行嗎

ID:309193 · 發(fā)表于 2018-4-16 17:01

這個(gè)主板換成mbed還可以運(yùn)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(jī)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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