大家好,我是张巧龙,今天给大家带来一个平衡自行车,我实验室一个19级的本科生做的,他21年也获得了全国电赛二等奖(F题)的成绩。

 

人嘛,非常帅的一个小伙子。B站ID:_旺仔小菠萝,欢迎大家围观!

 

好了,废话不多说,直接开整!先看展示视频,相关方案在后文。

 

文末开源所有文件(已经获得本人授权),程序、电路、3D打印文件。

 

01 硬件篇

 

 

1.1  STM32F103C8T6最小系统(小蓝板)

 

 

1.2 MPU6050姿态传感器(3.3V供电)

 

 

1.3 0.96寸OLED显示屏(四针、IIC通信、3.3V供电)

 

 

1.4 HC-05蓝牙模块(串口通信、用于接收小车运动指令)

 

 

使用教程链接:https://blog.csdn.net/weixin_44325419/article/details/110727911

 

1.5  超声波测距模块

 

 

1.6 N20电机及驱动(电机选型:DC 12V A12型)

 

 

1.7 无刷电机动量轮模组

 

该电机自带驱动和光电编码器

 

 

该自平衡自行车中我们使用万宝至无刷伺服电机,内置驱动,支持正反转,PWM调速,并且带有100线编码器AB相双通道信号输出。

 

 

该电机接线图如上图所示,实际小车中的线的颜色可能与上图有所不符,大家要按照位置来判断而不是线的颜色。

 

1.信号A相和信号B相为编码器脉冲输出端;

2.正反转切换的线我们直接用单片机的引脚3.3V电平控制,是完全没有问题的;

3.编码器供电接3.3V;

4.PWM接单片机的PWM输出,启动运行我们接单片机IO口,在电机初始化时置为高电平;

5.电源负极接GND,电源正极接12V。

 

1.8  舵机

 

项目中所使用,有点小贵,可以买便宜的。

 

 

1.9  3S航模电池(注意电池尺寸)

 

 

 

1.10 稳压模块及开关

 

将航模电池电压降至5V给单片机、舵机、蓝牙、超声波、电机编码器供电。

 

 

1.11  轮子及轴承

 

由于小车后轮是通过皮带传动,为减小摩擦,使后轮转动更加顺滑,需在后轮安装微型轴承。(轴承根据车轴尺寸购买)

 

 

 

1.12  车架及转向结构(3D打印)

 

 

13. 电路PCB

 

将上述功能模块集成在一块PCB电路板上(6.5x7.8cm),为方便焊接,电容电阻及三极管均为直插式元件。

 

 

 

02 软件篇

 

2.1  main.c

#include "sys.h" float AdcValue;                       //电池电压数字量float Pitch,Roll,Yaw;                 //角度short aacx,aacy,aacz;                 //加速度传感器原始数据short gyrox,gyroy,gyroz;              //陀螺仪原始数据int PWM1;int PWM_MAX=6500,PWM_MIN=-6500;  //PWM限幅变量int Encoder_Motor;  //编码器数据(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);//定时器3初始化PWM 10KHZ,用于驱动动量轮电机     PWM_Init_TIM2(9999, 143);//定时器2初始化PWM 50HZ,用于驱动舵机    TIM_SetCompare1(TIM2, 790);//舵机复位    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值范围为从0-2^12=4095(111111111111)一般情况下对应电压为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

 

学习视频:

 

 

该小车实现直立平衡需要用到两个闭环控制,即直立环(PD控制、负反馈),速度环(PI控制、正反馈),代码原理及调试过程与两轮平衡小车调试过程基本一致。

 

关于PID控制算法的学习,内容较多,不好详细展开,网上资源丰富,大家可自行学习。

 

这里推荐一篇知乎文章:https://zhuanlan.zhihu.com/p/39573490

 

2.3 代码阅读注意点

 

所有头文件都包含在sys.h中,每个.h文件都包含sys.h,方便函数调用。

 

#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复位后,PA13/14/15 & PB3/4默认配置为JTAG功能。有时我们为了充分利用MCU I/O口的资源,会把这些端口设置为普通I/O口。

 

使用JLINK向STM32烧录程序时,需要使用6个芯片的引脚(以STM32F103C8T6为例),分别是PB4 / JNTRST,PB3 / JTDO,PA13 / JTMS,PA14 / JTCK,PA15 / JTDI,NRST。

 

当芯片IO口资源比较紧张时,可选择SW模式烧录程序。

 

SWD只需用到PA13 / JTMS,PA14 / JTCK两根线,NREST可以接可不接,剩下的PB4 / JNTRST,PB3 / JTDO和PA15 / JTDI就可以当然普通IO使用,但是这三个口当然普通IO使用时需要先进行如下配置。(这里MPU6050模块用到PB3和PB4引脚)

 

03 最后

 

3.1 作品照片