基于立创梁山派开发板的平衡车制作教程

1.项目介绍

平衡车是每个人觉得很新奇的东西，但里面的内容包括了传感器数据处理、电机控制、pid算法的使用等许多东西，同时也有专业性和趣味性，非常适合作为入门练习项目。本项目还有所欠缺PID方面还未最好，外观小巧，美观。
此类平衡车原理都差不多，也可以为自己制作属于自己的平衡车，希望大家一起交流学习

2. 基本介绍

使用GP32F470的立创梁山派作为主控，MPU6050六轴加速度传感器模块获取姿态信息，DRV8833芯片驱动电机运动，提供动力，电机选用N20减速电机，带有AB相霍尔编码器用于测量转速。供电方面选用7.4V锂电池，经线性稳压器LM1084稳压5V，再使用AMS1117稳压至3.3V给电机和开发板供电。

3.硬件设计

3.1底盘

使用中间层放置电池，电机排线需要向上突出，所以下面放不了电池，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，最上层为电路板，电池放置在上层，下层挖洞引出电机排线，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。

需要打样两张亚克力一张有电机安装孔与霍尔穿线孔，另外一张则直接不镂空作为电池固定板。
使用立创面板进行打板绘图：

实物图：

4.电路设计

4.1原理图设计

电源：使用18650电池组7.4V电压供电，设置开关控制控制开关。主控供电为5V，驱动使用3.3V供电7.4v驱动，供电电池需要经过两次降压处理，为了电路简单都使用了低压差线性稳压器，第一降压使用LM1084降压至5V，第二降压使用AMS1117降压至3.3V。

电机驱动：驱动芯片使用DRV8833，比较实惠，虽然驱动电流不大，但带动N20电机足够。一个芯片可驱动两路电机刚好够平衡车的两个轮子，每个电机需要两路PWM输入进行调速。两个电机共四路PWM输入。此方案有别于TB6612方案节省2个IO。但需要的PWM通道变多。TB6612只需两个IO控制PWM,其余4个端口控制两路电机正反转。而DRV8833可以理解为两路电机端口哪一个端口拥有PWM就可以执行任意一个轮子的正反转中的任意功能。原理图：

MPU6050电路：由于网上有繁多的模块所以本电路直接使用了模块，接入四根线（电源、接地、SCL、SDA），INT为中断功能当时备用。后因程序无使用上即废弃。只需四线通过I2C协议即可正常读取数据。原理图：

超声波模块:T宝有许许多多模块。而且成熟方案，可以使超声波直立于平面。故选择模块。超声波都很熟悉了。判断一些距离原理图：

ESP8266通信：ESP8266充当通讯其实亏了。本身8266就可以烧录程序，性能也不错，只是本身IO口较少连接外设不多。也是手上有多余模块，如果不想使用也可以更换其他2.4G模块。因为这个模块也是需要烧录额外程序配置AP模式的。ESP8266有运行模式、下载模式、测试模式的区别，进入下载模式可参考以下配置：

ESP8266最低运行要求，EN、VCC、GPIO0口需要3.3V供电，GPIO15、GND要接地，（RES）复位需要置高。原理图：

5.PCB设计

元器件布局：按照主要的信号流向进行布局，主要是电源部分需要集中，加大布线，方便布线，因空间充裕未放置于开发板下。

手动布线：布线仅仅是能用的程度，还有很大的改进空间，再就是稍微注意了一下线宽，电源部分做到尽量宽一点，信号线可以窄点，大面积铺铜增大过流能力，驱动部分跨层了多加过孔增大过流。布线图：正面

反面

6.焊接和组装

6.1电路板焊接

logo部分镂空露铜增加美观板图：

焊接完成图：（蜂鸣器功能可以使用前期未安装，后期已经补齐）

6.2整体组装

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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。上面用的长度22mm，下面是10mm，最下面的电机是用的附赠的电机座，螺丝固定。排线为两头母头，可能需要另外联系商家，故可以直接焊接于板

实物图：

7.软件设计

软件部分:主要以小车的平衡控制为核心，通过MPU6050采集角度数据、霍尔编码器采集速度数据作为输入信息，传递给PID控制器进行运算，输出结果转换为PWM信号驱动电机转动，程序运行框图如下图所示。PID运算作为经典的控制算法，不同的参数对于小车的稳定性和动态响应均有显著影响，为便于PID调参还用到了ESP8266的WiFi功能，通过手机连接wifi设备，使用2.4G模块接收指令通过RX TX端口即可实现远程调节参数。

7.1 PID控制

PID即：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，该控制算法出现于20世纪30至40年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。在工业过程中，连续控制系统的理想PID控制规律为：

式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系； [2]
Tt——积分时间常数；
TD——微分时间常数；
u（t）——PID控制器的输出信号；
e（t）——给定值r（t）与测量值之差。

。。由于本人也是初学者所以避免传达错误PID部分引用baidu可能多一些。。

7.2 角度环pid

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角度环PID能够使小车静止在平衡角度（即设定的机械中值），通过实时读取MPU6050的角度数据，计算与设定的平衡角度之间的误差，再控制小车运动速度，从而维持在平衡点。比如向前倒时，根据设定参数，小车将加速向前行驶，以维持平衡。
    在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。
    为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。
    如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。
    反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。
    总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。常用的控制方式：P,PI,PD,PID控制算法。
    
    

8.材料清单

8.1主要元器件：

贴片元器件部分不做过多说明：

T宝部分：

9.总结

9.1 当前问题

结构层面: 目前大小适中可以做的更小。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运行的前需要等待校准时间，电机运动会出现明显的滞后和超调现象。大概是PID参数调节还未最佳。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，       精度不够，得到编码器数据范围为整数值，值也小精度十分有限。

9.2后续改进

优化PID，让小车尽可平稳运行。本车烧录时候还有烧录端口复用问题，烧录时还需把电机线外设拔掉，即可正常烧录。

10.实物图欣赏：

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