本文作者：立創(chuàng)開源硬件平臺(tái) OSHWHub 用戶@Leannnus，禁止商用，未經(jīng)許可禁止轉(zhuǎn)載，點(diǎn)擊查看原文章

1、項(xiàng)目介紹

平衡車幾乎是每個(gè)人入坑電子DIY的必做項(xiàng)目。包括了：傳感器采集處理、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、pid算法調(diào)節(jié)等許多領(lǐng)域





同時(shí)兼顧專業(yè)性和趣味性，非常適合作為入門練習(xí)項(xiàng)目。本項(xiàng)目在外形結(jié)構(gòu)和軟件控制方面實(shí)現(xiàn)了比較好的平衡，外觀小巧，運(yùn)動(dòng)性能卓越。

2、基本信息

主控芯片：ESP32-WROOM
六軸加速度傳感器模塊：MPU6050。用于獲取姿態(tài)信息。
芯片：DRV8833驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，提供較大電流。
電機(jī)：選用N20減速電機(jī)。帶有AB相霍爾編碼器用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。
供電：選用7.4V鋰電池(2s)。
經(jīng)線性穩(wěn)壓器：LM1084穩(wěn)壓至5V。再使用1117穩(wěn)壓至3.3V給ESP32供電。
程序部分：基于Arduino IDE。使用開源庫(kù)實(shí)現(xiàn)角度獲取和pid算法平衡控制；使用JSON庫(kù)編寫了指令解析程序，用于藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)pid參數(shù)；并借助開源的安卓藍(lán)牙APP用來遙控小車運(yùn)動(dòng)。


3、特別說明

本項(xiàng)目電路焊接部分有一定的門檻??！如果對(duì)小型貼片器件的焊接沒有把握，不建議嘗試 打板的時(shí)候選嘉立創(chuàng)SMT代工，省去了自己焊的麻煩。此類平衡車原理都大差不差，也可以為大家制作屬于自己的平衡車提供參考。非常樂意和大家一起交流學(xué)習(xí)~


4、迭代記錄

第一版

第一次設(shè)計(jì)，直接采用模塊連接的方式。電路簡(jiǎn)單，PCB挖槽復(fù)用。作為電機(jī)固定板，無需多次打板。以上設(shè)計(jì)導(dǎo)致空間利用率低，實(shí)際外形比較大，孔位估算不夠合理，電機(jī)間距大，沒有電池安放位。接線復(fù)雜，整體美觀度不夠。

第二版

在第一版的基礎(chǔ)上想用冰墩墩作為外形設(shè)計(jì)。內(nèi)部挖空放置模塊，電路部分基本無改動(dòng)，模塊式組合。裝好之后表面看起來效果還可以。全是可愛的冰墩墩的功勞。外殼設(shè)計(jì)效果不佳，組合后的電路板很難塞進(jìn)外殼，內(nèi)部固定起來比較費(fèi)勁。重心很高，平衡控制起來比較困難。

第三版

下面是最終版本，第三版的設(shè)計(jì)說明。

01、硬件設(shè)計(jì)
主要以3D建模、焊接組裝、材料清單三個(gè)方面展開描述。


3D建模

完整結(jié)構(gòu)建模：原本計(jì)劃使用兩層板堆疊即可（比如第一版），中間位置放置電池。但電機(jī)排線需要向上突出，下面放不了電池，所以額外增加了一層，使用三層板堆疊結(jié)構(gòu)。下面兩層使用亞克力切割，最上層為電路板，電池放置在上層。下層挖空引出電機(jī)排線，亞克力板還需增加電機(jī)固定架孔位，將電機(jī)安排得盡可能靠近來減小橫向間距。solidworks建模如下：

除電路板外，需要定制的僅兩塊相同的亞克力板，從solidworks導(dǎo)出為DWG文件即可定制。

02、焊接和組裝

電路板焊接測(cè)試：CH340缺了一個(gè)電容（見debug部分）。這個(gè)版本暫時(shí)飛線解決了，然后上了一坨熱熔膠固定。電源接口也加上了熱熔膠，防短路。


整體組裝：下面兩層亞克力板，上面一層PCB，用M3六角銅柱連接固定，長(zhǎng)度能短則短，但電池和排線需要一定的空間。下面用的長(zhǎng)度15mm，上面是20mm，最下面的電機(jī)是用的附贈(zèng)的電機(jī)座，螺絲固定。




Debug記錄：CH340 V3接口缺少一個(gè)0.1uF電容接地，導(dǎo)致無法正常連接串口，當(dāng)前版本用飛線接上電容后可以正常工作，PCB已在v1.1版本中修復(fù)。電機(jī)排線6p插座方向設(shè)置錯(cuò)誤，原設(shè)計(jì)打算放在背面，但根據(jù)實(shí)際接線順序需要放在正面，已在v1,.1版中標(biāo)出，請(qǐng)注意檢查，否則容易造成短路風(fēng)險(xiǎn)。

03、材料清單

其他元件： 剩下的CH340、AMS1117還有電阻電容等元件比較常規(guī)，可根據(jù)BOM表配單，立創(chuàng)直接下單或某寶挨個(gè)買都行，買的時(shí)候注意封裝型號(hào)。主要以硬件、軟件兩個(gè)角度展開說明。

硬件部分

模型文件都上傳到附件了，包含完整的solidworks建模裝配體文件。小車按照實(shí)際尺寸建模，可以提供一點(diǎn)參考。亞克力板切割用里面的DWG文件，放了兩塊一樣的板，直接某寶定制即可。電路圖部分請(qǐng)直接從末尾的立創(chuàng)EDA工程文件打開，附件就不放了，原理圖里添加了大量的注釋，供參考。

軟件部分

見附件代碼，當(dāng)前為最新版本，后續(xù)優(yōu)化會(huì)標(biāo)上版本號(hào)上傳。使用Arduino IDE開發(fā)，需要自行下載準(zhǔn)備的庫(kù)有：<ArduinoJson.h>、<MPU6050_tockn.h>。工程中的每個(gè)模塊為.h+.cpp文件的組合，已添加了很多注釋，可自行查閱。

藍(lán)牙調(diào)參
需要將最開頭的BTMODE 宏定義修改為0（默認(rèn)為1，即遙控模式）。手機(jī)端APP用任意的藍(lán)牙調(diào)試APP都行，發(fā)送指令格式見代碼中的注釋說明：

/* 藍(lán)牙發(fā)送參數(shù)指令，使用JSON格式進(jìn)行打包和解析，字符串格式：
"{"cmd":1,"data":[p,i,d]}" ,  (p、i、d為常數(shù)) * cmd=1：角度環(huán)pid設(shè)置 * cmd=2：速度環(huán)pid設(shè)置 * cmd=3：轉(zhuǎn)向環(huán)pid(暫未添加) * cmd=4：角度平衡值, 發(fā)送格式："{"cmd":4,"data":[angle]}" , (angle為常數(shù)) * cmd=5：速度值，同角度 * cmd=6：轉(zhuǎn)向值，同上 **/

藍(lán)牙遙控

遙控用的APP已放在附件中，僅限安卓平臺(tái)。在APP里自行配置的搖桿參數(shù)如下圖所示：

4、設(shè)計(jì)圖

原理圖（點(diǎn)擊進(jìn)入嘉立創(chuàng)EDA編輯器打開）

  

PCB圖（點(diǎn)擊進(jìn)入嘉立創(chuàng)EDA編輯器打開）

5、總結(jié)

從結(jié)構(gòu)與軟件層面進(jìn)行總結(jié)。

結(jié)構(gòu)層面：目前迷你程度幾乎已經(jīng)達(dá)到極限(電機(jī)大小限制)。如果再要減小的話就要換更小的電機(jī)才行。從外觀來看現(xiàn)在最大的問題在電池接線，大部分暴露在外面降低美觀性，同時(shí)電機(jī)排線也比較突出，倒地的時(shí)候撞到排線，可能造成損壞，考慮連接座換成直針，代替目前的彎針即可解決。

軟件層面：PID運(yùn)行的前一分鐘，電機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)明顯的滯后和超調(diào)現(xiàn)象，運(yùn)行一段時(shí)間才能恢復(fù)正常的平衡模式。目前未排查到原因，估計(jì)是某些變量初始化時(shí)的問題，還在排查中。

小車運(yùn)行穩(wěn)定程度也還有提升空間，靜止時(shí)還不能很穩(wěn)。一方面PID算法和參數(shù)還可以優(yōu)化，另一方面可能受編碼器分辨率影響。按20Hz采樣率，得到編碼器數(shù)據(jù)范圍是0-50左右的整數(shù)值，數(shù)據(jù)精度十分有限。

后續(xù)可能的更新：優(yōu)化PID算法，爭(zhēng)取達(dá)到更穩(wěn)定的效果，換一種更緊湊美觀的外形結(jié)構(gòu)。

更多詳情及附件，可從原工程查看。

本文作者：立創(chuàng)開源硬件平臺(tái) OSHWHub 用戶@Leannnus，禁止商用，未經(jīng)許可禁止轉(zhuǎn)載