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21年電賽 | 做一輛超mini平衡自行車,全開源

2022/03/09
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閱讀需 11 分鐘
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大家好,我是張巧龍,今天給大家?guī)硪粋€平衡自行車,我實(shí)驗(yàn)室一個19級的本科生做的,他21年也獲得了全國電賽二等獎(F題)的成績。

人嘛,非常帥的一個小伙子。B站ID:_旺仔小菠蘿,歡迎大家圍觀!

好了,廢話不多說,直接開整!先看展示視頻,相關(guān)方案在后文。

文末開源所有文件(已經(jīng)獲得本人授權(quán)),程序、電路、3D打印文件。

01 硬件篇

1.1  STM32F103C8T6最小系統(tǒng)(小藍(lán)板)

 

1.2 MPU6050姿態(tài)傳感器(3.3V供電)

1.3 0.96寸OLED顯示屏(四針、IIC通信、3.3V供電)

 

1.4 HC-05藍(lán)牙模塊(串口通信、用于接收小車運(yùn)動指令)

使用教程鏈接:https://blog.csdn.net/weixin_44325419/article/details/110727911

1.5  超聲波測距模塊

1.6 N20電機(jī)及驅(qū)動(電機(jī)選型:DC 12V A12型)

1.7 無刷電機(jī)動量輪模組

電機(jī)自帶驅(qū)動和光電編碼器。

該自平衡自行車中我們使用萬寶至無刷伺服電機(jī),內(nèi)置驅(qū)動,支持正反轉(zhuǎn),PWM調(diào)速,并且?guī)в?00線編碼器AB相雙通道信號輸出。

該電機(jī)接線圖如上圖所示,實(shí)際小車中的線的顏色可能與上圖有所不符,大家要按照位置來判斷而不是線的顏色。

1.信號A相和信號B相為編碼器脈沖輸出端;

2.正反轉(zhuǎn)切換的線我們直接用單片機(jī)引腳3.3V電平控制,是完全沒有問題的;

3.編碼器供電接3.3V;

4.PWM接單片機(jī)的PWM輸出,啟動運(yùn)行我們接單片機(jī)IO口,在電機(jī)初始化時置為高電平;

5.電源負(fù)極接GND,電源正極接12V。

1.8  舵機(jī)

項(xiàng)目中所使用,有點(diǎn)小貴,可以買便宜的。

1.9  3S航模電池(注意電池尺寸)

 

1.10 穩(wěn)壓模塊及開關(guān)

將航模電池電壓降至5V給單片機(jī)、舵機(jī)藍(lán)牙、超聲波、電機(jī)編碼器供電。

1.11  輪子及軸承

由于小車后輪是通過皮帶傳動,為減小摩擦,使后輪轉(zhuǎn)動更加順滑,需在后輪安裝微型軸承。(軸承根據(jù)車軸尺寸購買)

1.12  車架及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)(3D打?。?/h3>

 

13. 電路PCB

將上述功能模塊集成在一塊PCB電路板上(6.5x7.8cm),為方便焊接,電容電阻三極管均為直插式元件。

02 軟件篇

 

2.1  main.c

#include "sys.h" float AdcValue;                       //電池電壓數(shù)字量float Pitch,Roll,Yaw;                 //角度short aacx,aacy,aacz;                 //加速度傳感器原始數(shù)據(jù)short gyrox,gyroy,gyroz;              //陀螺儀原始數(shù)據(jù)int PWM1;int PWM_MAX=6500,PWM_MIN=-6500;  //PWM限幅變量int Encoder_Motor;  //編碼器數(shù)據(jù)(速度) int main(void){    NVIC_Config();     delay_init();    Led_Init();    Beep_Init();    Wave_SRD_Init();     uart3_init(9600);    OLED_Init();      //初始化OLED      OLED_Clear();    adc_Init();    MOTOR_1_Init();    MOTOR_2_Init();    PWM_Init_TIM3(7199,0);//定時器3初始化PWM 10KHZ,用于驅(qū)動動量輪電機(jī)     PWM_Init_TIM2(9999, 143);//定時器2初始化PWM 50HZ,用于驅(qū)動舵機(jī)    TIM_SetCompare1(TIM2, 790);//舵機(jī)復(fù)位    Init_TIM1(9998,7199);    Encoder_Init_TIM4(65535,0);    OLED_ShowString(25,4,"MPU6050...",16);    MPU_Init();            //MPU6050初始化  while(mpu_dmp_init())    {    OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 Error",16);    }      OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 OK!",16);     Beep=1;    delay_ms(400);    Beep=0;    MPU6050_EXTI_Init();    OLED_Clear();    OLED_ShowString(0,0,"Roll :         C",16);    OLED_ShowString(0,3,"Speed:         R ",16);    OLED_ShowString(0,6,"Power:        V ",16);        while(1)    {                  Wave_SRD_Strat();                AdcValue=11.09*(3.3*Get_adc_Average(ADC_Channel_4,10)/0x0fff); //ADC值范圍為從0-2^12=4095(111111111111)一般情況下對應(yīng)電壓為0-3.3V        OLED_Showdecimal(55,0,Roll,9,16);          OLED_Showdecimal(55,3,Encoder_Motor*0.25,9,16);                 OLED_Showdecimal(50,6,AdcValue,9,16);         }}

2.2  PID控制算法

學(xué)習(xí)視頻:

該小車實(shí)現(xiàn)直立平衡需要用到兩個閉環(huán)控制,即直立環(huán)(PD控制、負(fù)反饋),速度環(huán)(PI控制、正反饋),代碼原理及調(diào)試過程與兩輪平衡小車調(diào)試過程基本一致。

關(guān)于PID控制算法的學(xué)習(xí),內(nèi)容較多,不好詳細(xì)展開,網(wǎng)上資源豐富,大家可自行學(xué)習(xí)。

這里推薦一篇知乎文章:https://zhuanlan.zhihu.com/p/39573490

2.3 代碼閱讀注意點(diǎn)

 

所有頭文件都包含在sys.h中,每個.h文件都包含sys.h,方便函數(shù)調(diào)用。

#ifndef __SYS_H#define __SYS_H#include "stm32f10x.h"#include "adc.h"#include "oled.h"#include "led.h" #include "beep.h"#include "wave.h"#include "control.h" #include "exti.h" #include "mpu6050.h"#include "inv_mpu.h"#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h" #include "motor.h"#include "pwm.h"#include "encoder.h"#include "usart.h"   #include "delay.h"#include <math.h>#include <stdlib.h>

STM32F10x系列的MCU復(fù)位后,PA13/14/15 & PB3/4默認(rèn)配置為JTAG功能。有時我們?yōu)榱顺浞掷肕CU I/O口的資源,會把這些端口設(shè)置為普通I/O口。

使用JLINK向STM32燒錄程序時,需要使用6個芯片的引腳(以STM32F103C8T6為例),分別是PB4 / JNTRST,PB3 / JTDO,PA13 / JTMS,PA14 / JTCK,PA15 / JTDI,NRST。

當(dāng)芯片IO口資源比較緊張時,可選擇SW模式燒錄程序。

SWD只需用到PA13 / JTMS,PA14 / JTCK兩根線,NREST可以接可不接,剩下的PB4 / JNTRST,PB3 / JTDO和PA15 / JTDI就可以當(dāng)然普通IO使用,但是這三個口當(dāng)然普通IO使用時需要先進(jìn)行如下配置。(這里MPU6050模塊用到PB3和PB4引腳)

03 最后

3.1 作品照片

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

張巧龍,電子信息工程,動力工程碩士。一個愛電子、愛生活的標(biāo)準(zhǔn)工科男。知乎:張巧龍