迷你掌上平衡车

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1、项目介绍

平衡车几乎是每个人入坑电子DIY的必做项目。 包括了： 传感器采集处理、 电机运动控制、 pid算法调节等许多领域





同时兼顾专业性和趣味性，非常适合作为入门练习项目。 本项目在外形结构和软件控制方面实现了比较好的平衡，外观小巧，运动性能卓越。

2、基本信息

主控芯片：ESP32-WROOM
六轴加速度传感器模块：MPU6050。 用于获取姿态信息。
芯片：DRV8833驱动电机运动，提供较大电流。
电机：选用N20减速电机。 带有AB相霍尔编码器用于测量转速。
供电：选用7.4V锂电池(2s)。
经线性稳压器：LM1084稳压至5V。 再使用1117稳压至3.3V给ESP32供电。
程序部分：基于Arduino IDE。 使用开源库实现角度获取和pid算法平衡控制； 使用JSON库编写了指令解析程序，用于蓝牙远程调节pid参数； 并借助开源的安卓蓝牙APP用来遥控小车运动。


3、特别说明

本项目电路焊接部分有一定的门槛！！ 如果对小型贴片器件的焊接没有把握，不建议尝试  打板的时候选嘉立创SMT代工，省去了自己焊的麻烦。 此类平衡车原理都大差不差，也可以为大家制作属于自己的平衡车提供参考。 非常乐意和大家一起交流学习~


4、迭代记录

第一版

第一次设计，直接采用模块连接的方式。电路简单，PCB挖槽复用。作为电机固定板，无需多次打板。以上设计导致空间利用率低，实际外形比较大，孔位估算不够合理，电机间距大，没有电池安放位。接线复杂，整体美观度不够。

第二版

在第一版的基础上想用冰墩墩作为外形设计。内部挖空放置模块，电路部分基本无改动，模块式组合。装好之后表面看起来效果还可以。全是可爱的冰墩墩的功劳。外壳设计效果不佳，组合后的电路板很难塞进外壳，内部固定起来比较费劲。重心很高，平衡控制起来比较困难。

第三版

下面是最终版本，第三版的设计说明。

01、 硬件设计
主要以3D建模、焊接组装、材料清单三个方面展开描述。


3D建模

完整结构建模：原本计划使用两层板堆叠即可（比如第一版），中间位置放置电池。但电机排线需要向上突出，下面放不了电池，所以额外增加了一层，使用三层板堆叠结构。下面两层使用亚克力切割，最上层为电路板，电池放置在上层。下层挖空引出电机排线，亚克力板还需增加电机固定架孔位，将电机安排得尽可能靠近来减小横向间距。solidworks建模如下：

除电路板外，需要定制的仅两块相同的亚克力板，从solidworks导出为DWG文件即可定制。

02、焊接和组装

电路板焊接测试： CH340缺了一个电容（见debug部分）。 这个版本暂时飞线解决了，然后上了一坨热熔胶固定。电源接口也加上了热熔胶，防短路。


整体组装： 下面两层亚克力板，上面一层PCB，用M3六角铜柱连接固定，长度能短则短，但电池和排线需要一定的空间。 下面用的长度15mm，上面是20mm，最下面的电机是用的附赠的电机座，螺丝固定。




Debug记录： CH340 V3接口缺少一个0.1uF电容接地，导致无法正常连接串口，当前版本用飞线接上电容后可以正常工作，PCB已在v1.1版本中修复。 电机排线6p插座方向设置错误，原设计打算放在背面，但根据实际接线顺序需要放在正面，已在v1,.1版中标出，请注意检查，否则容易造成短路风险。

03、材料清单

其他元件： 剩下的CH340、AMS1117还有电阻电容等元件比较常规，可根据BOM表配单，立创直接下单或某宝挨个买都行，买的时候注意封装型号。 主要以硬件、软件两个角度展开说明。

硬件部分

模型文件都上传到附件了，包含完整的solidworks建模装配体文件。 小车按照实际尺寸建模，可以提供一点参考。 亚克力板切割用里面的DWG文件，放了两块一样的板，直接某宝定制即可。 电路图部分请直接从末尾的立创EDA工程文件打开，附件就不放了，原理图里添加了大量的注释，供参考。

软件部分

见附件代码，当前为最新版本，后续优化会标上版本号上传。 使用Arduino IDE开发，需要自行下载准备的库有：<ArduinoJson.h>、<MPU6050_tockn.h>。 工程中的每个模块为.h+.cpp文件的组合，已添加了很多注释，可自行查阅。

蓝牙调参
需要将最开头的BTMODE 宏定义修改为0（默认为1，即遥控模式）。 手机端APP用任意的蓝牙调试APP都行，发送指令格式见代码中的注释说明：

/* 蓝牙发送参数指令，使用JSON格式进行打包和解析，字符串格式：
"{"cmd":1,"data":[p,i,d]}" ,  (p、i、d为常数) * cmd=1：角度环pid设置 * cmd=2：速度环pid设置 * cmd=3：转向环pid(暂未添加) * cmd=4：角度平衡值, 发送格式："{"cmd":4,"data":[angle]}" , (angle为常数) * cmd=5：速度值，同角度 * cmd=6：转向值，同上 **/

蓝牙遥控

遥控用的APP已放在附件中，仅限安卓平台。在APP里自行配置的摇杆参数如下图所示：

4、设计图

原理图（点击进入嘉立创EDA编辑器打开）

  

PCB图（点击进入嘉立创EDA编辑器打开）

5、 总结

从结构与软件层面进行总结。

结构层面：目前迷你程度几乎已经达到极限(电机大小限制)。如果再要减小的话就要换更小的电机才行。从外观来看现在最大的问题在电池接线，大部分暴露在外面降低美观性，同时电机排线也比较突出，倒地的时候撞到排线，可能造成损坏，考虑连接座换成直针，代替目前的弯针即可解决。

软件层面：PID运行的前一分钟，电机运动会出现明显的滞后和超调现象，运行一段时间才能恢复正常的平衡模式。目前未排查到原因，估计是某些变量初始化时的问题，还在排查中。

小车运行稳定程度也还有提升空间，静止时还不能很稳。一方面PID算法和参数还可以优化，另一方面可能受编码器分辨率影响。按20Hz采样率，得到编码器数据范围是0-50左右的整数值，数据精度十分有限。

后续可能的更新：优化PID算法，争取达到更稳定的效果，换一种更紧凑美观的外形结构。

更多详情及附件，可从原工程查看。

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