采用Arduino Nano控制模塊制作的超聲波測距平衡小車

1、項(xiàng)目概述

因?yàn)榈谝淮沃谱髯云胶庑≤?#xff0c;心里沒底，也就沒有投入過多的資金，一切按照最小配置進(jìn)行，所以選擇“TT馬達(dá)”，俗稱“香蕉電機(jī)”的小車底盤。在等快遞送貨期間，才看到各種說用“香蕉電機(jī)”做自平衡小車的問題，最大的問題就是電機(jī)啟動對傳感器和單片機(jī)的干擾問題，還有就是平衡的穩(wěn)定性不好等問題。在我以Arduino + MPU6050 + L298N為核心做完后，閑得沒事干，就想做一款成本低，易上手，最小配置和最基本功能的自平衡小車，其目的就是給那些沒有什么經(jīng)驗(yàn)的剛?cè)胄械男率謧兲峁┮粋€入門的解決方案。所以這個項(xiàng)目的目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：

a、成本低；

b、目標(biāo)功能明確，就是實(shí)現(xiàn)小車的自平衡；

c、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；

d、調(diào)試、操作方便簡單。

2、項(xiàng)目方案

基于上述目標(biāo)，本方案采用超聲波測距模塊作為小車平衡狀態(tài)的檢測，免去了對加速度、陀螺儀傳感器的理解和復(fù)雜處理算法。小車的平衡控制仍然采用網(wǎng)絡(luò)上流行的Arduino開源硬件，再加上電機(jī)驅(qū)動模塊 L298N，電機(jī)仍然采用TT馬達(dá)(香蕉電機(jī))。

該方案為了降低成本，采用電位器調(diào)整設(shè)定小車的平衡參數(shù)，不使用藍(lán)牙無線模塊或有線串口在線調(diào)整參數(shù)。

用超聲波測距的方式實(shí)現(xiàn)的自平衡小車，網(wǎng)絡(luò)上有人提出這種方案無法在坡度變化的斜坡上保持平衡，這種說法經(jīng)過我的實(shí)踐，是有解決方案的，這個問題我將在后面進(jìn)行闡述。

平衡控制的算法還是采用平衡車中經(jīng)典的PD算法。

3、硬件設(shè)計

硬件設(shè)計比較簡單，以Arduino Nano為核心控制模塊，采用HC-SR04超聲波測距模塊，L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，供電采用7.4V/2200mAh鋰電池。圖中三個10K電位器分別用于平衡點(diǎn)設(shè)置、PD算法中Kp和Kd系數(shù)設(shè)置的調(diào)整。

電路原理圖如下所示：

圖中J1為HC-SR04超聲波測距模塊，J2、J3為L298N模塊，Arduino Nano為核心控制模塊，MG1、MG2分別為左右電機(jī)。器件采購清單見附件

程序設(shè)計

程序源代碼見附件

6、調(diào)試流程

超聲平衡小車裝配完畢后如下圖所示。

串口調(diào)試助手程序見附件

a、準(zhǔn)備工作

將Kp與Kd調(diào)為0，調(diào)整方法是，旋轉(zhuǎn)電位器后，按下Arduino模塊上的復(fù)位鍵調(diào)整方可有效。調(diào)整后用串口調(diào)試助手(sscom42.exe)發(fā)送“F”命令，讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值。在使用串口調(diào)試助手前，首先選擇串口調(diào)試助手對應(yīng)的串口號，設(shè)置好波特率，方可發(fā)送上述命令讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值，操作界面如下圖所示。

第一個數(shù)據(jù)為平衡點(diǎn)設(shè)定值，第二個數(shù)據(jù)為Kp，第三個數(shù)據(jù)為Kd。

b、超聲波測距測試

發(fā)送相應(yīng)“L”命令，讀取超聲波的測距值，注意，這里不是實(shí)際的mm或cm值，而是對應(yīng)距離來回的傳播時間值，是單片機(jī)內(nèi)部計時的輸出值。

操作界面如下圖所示。

第一個數(shù)為超聲波測距模塊的直接輸出值，第二個數(shù)為一階濾波后的值。改變超聲波測距模塊與被測界面的距離，這兩個值會發(fā)生相應(yīng)的改變，距離近，測得的值變小，距離遠(yuǎn)測得的值就增大。

c、尋找物理平衡點(diǎn)

在Kp、Kd為0時，用手尋找自平衡小車的物理平衡點(diǎn)，同時用“L”命令(500ms定時發(fā)送)讀取超聲波測量的返回值，確定平衡點(diǎn)的返回值，并記錄下來。

d、平衡點(diǎn)PB的設(shè)定

調(diào)整PB電位器，并在Arduino復(fù)位后，用“F”命令讀取超聲自平衡小車參數(shù)的設(shè)定值，使得第一個返回的數(shù)據(jù)與上述確定的物理平衡點(diǎn)相一致。

e、判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向是否正確

在完成上述調(diào)整后，逐漸增大Kp(請記住，每次調(diào)整后，都必須復(fù)位Arduino模塊，調(diào)整才能生效)，看到電機(jī)能夠動作時，停止調(diào)整Kp。這時將超聲波模塊一端稍稍下壓(也就是使超聲波探頭與地面距離縮短)，觀察兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，往前(超聲波測距模塊一端為前)轉(zhuǎn)測試正確的，往后轉(zhuǎn)則說明相應(yīng)的電機(jī)兩根線接反了，將接反的線調(diào)換過來即可。

f、Kp參數(shù)整定

在電機(jī)接線正確后，再逐漸增大Kp，使得小車能夠來回有點(diǎn)擺動即可進(jìn)入調(diào)整Kd參數(shù)階段。

g、Kd參數(shù)整定

在調(diào)整完Kp后，逐漸增大Kd，使得擺動消失，如果繼續(xù)增大Kd，小車會出現(xiàn)明顯的抖動，此時將Kd往回調(diào)整，使得抖動消失即可。

h、平衡點(diǎn)PB的進(jìn)一步調(diào)整

在上述參數(shù)調(diào)整完畢后，小車一般就能保持平衡了，如果出現(xiàn)小車往一邊跑的現(xiàn)象，可通過調(diào)整PB電位器加以修正。如果小車往前跑(超聲波模塊一端為前)，調(diào)整PB使得平衡點(diǎn)設(shè)定值增大；如果小車往后跑，調(diào)整PB使得平衡點(diǎn)設(shè)定值減小，直到小車能夠長時間穩(wěn)定為止。

7、照片

8、總結(jié)與展望

超聲自平衡小車的基本版已經(jīng)完成，在制作過程中與我之前用MPU6050制作的小平衡車相比有以下幾點(diǎn)體會：

a、在用TT馬達(dá)的情況下，如果系統(tǒng)使用同一組電池供電，電機(jī)一啟動Arduino與MPU6050立即死機(jī)，或者M(jìn)PU6050的數(shù)據(jù)受干擾極為嚴(yán)重，不可使用。解決辦法是用另一組電池單獨(dú)給L298N供電，并且L298N要選擇帶光耦隔離的。但同樣的使用TT馬達(dá)的情況下，用超聲波測距方案，系統(tǒng)僅用一組電池即可，而且L298N也無需光耦隔離，系統(tǒng)很穩(wěn)定。

b、超聲波傳感器的選擇要選擇最小測量周期短的模塊，第一次我使用的是US-015 超聲波測距模塊，US-015是目前市場上分辨率最高，重復(fù)測量一致性最好的超聲波測距模塊，US-015的分辨率高于1mm，可達(dá)0.5mm，測距精度高，重復(fù)測量一致性好，測距穩(wěn)定可靠。但他的最小測量周期大于10ms，而且對輸出數(shù)據(jù)經(jīng)常有跳動(這是由于它的靈敏度很高，在近距離時超聲波在模塊與地面之間的來回反射的二次信號都能被檢測到)，為此在地面墊上一個地毯吸收了部分能量的超聲波，才能穩(wěn)定工作。在第二版中更換了HC-SR04超聲波模塊，這個模塊的測距精度雖然只有3mm，但它的最小測量周期僅略大于3ms。但這種模塊市場上有兩種，一種沒有晶體，一種是帶晶體的，帶晶體的很不穩(wěn)定，建議大家不要選擇。

c、小車的平衡穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，建議在結(jié)構(gòu)上，重心越低越好。

d、另外，我還做了一個對比測試，數(shù)據(jù)見下表：

誤差絕對值是指小車在一段時間內(nèi)，實(shí)測距離與設(shè)定平衡點(diǎn)距離誤差絕對值的平均值；濾波是指程序中對超聲波測量的距離濾波或不濾波直接使用；循環(huán)周期是程序中的延時時間，超聲波測量需要大約704us，一個周期大約為3.84ms，程序處理時間大約為136us，實(shí)測波形圖如下。

超聲測距波形圖：

3ms延時的一個周期波形圖：

通過以上對比分析，當(dāng)一個循環(huán)周期大于20ms時，小車很難長時間保持平衡了，另外重心的升高，平衡的穩(wěn)定性明顯變差。

e、下一步選擇具有測速功能的小車底盤，實(shí)現(xiàn)上下坡、下臺階等復(fù)雜動作，不為別的，只是證明超聲自平衡小車這個方案是沒有嚴(yán)重的缺陷的。因?yàn)樽云胶庑≤嚤旧砭陀泻芏嗑窒扌?#xff0c;譬如他能下臺階就不能上臺階吧，也不能在極不平坦的路上行走等等。

f、最后，我想說明一下，自平衡小車雖然簡單，但也是一個麻雀雖小五臟俱全的項(xiàng)目，譬如小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)的響應(yīng)、扭矩的大小、小車的輪胎的選擇、PID的調(diào)參等等都會影響到小車的平衡穩(wěn)定性。我們在網(wǎng)上看到的資料大都是說傳感器、程序和調(diào)參，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)的選擇(明確的參數(shù)數(shù)據(jù)對比)等方面都很欠缺或不完整，沒有充分的說服力。很多新人就想學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課程一樣，僅僅照別人的做法做了一遍，沒有太大的收獲，特別是碰到問題不知道如何深入分析。大家在DIY的過程中都做出點(diǎn)自己的東西，無論成功與失敗，哪怕做一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的總結(jié)也是對大家的貢獻(xiàn)。希望大家在DIY這個樂園里無拘無束的、自由自在的、快快樂樂的玩耍！！！

9、后記

在完成上述工作之后，又進(jìn)行了一些不成系統(tǒng)的零散實(shí)驗(yàn)性的工作。第一項(xiàng)工作是在上述平臺上增加了一個具有AB相編碼輸出的測速單元，將小車的速度控制作為最終目標(biāo)，以調(diào)整平衡設(shè)定距離來控制小車的速度為手段，這樣就可實(shí)現(xiàn)超聲自平衡小車在變化的坡度上保持動態(tài)穩(wěn)定平衡。

小車平衡算法一般有兩種：一種是平衡(角度或距離)PID + 速度PID；另一種是，速度PIDà平衡PID。這第二種就是用速度PID的輸出去改變平衡PID的目標(biāo)值。要實(shí)現(xiàn)超聲自平衡小車在變化的坡度上保持動態(tài)穩(wěn)定平衡，就必須采用這第二種控制算法。

另外，網(wǎng)絡(luò)上有些人利用控制電機(jī)的PWM輸出值，代替測速單元，近似的給出小車的速度。對于此問題我也簡單的測試和分析過，現(xiàn)簡要談?wù)勎覍@一問題的看法：這種方式在一定的條件下是可以近似替代的，前提是在水平的地面上，地面不能有影響小車運(yùn)動的各種障礙物，第三個是小車的響應(yīng)不能太滯后。如果這三條不能滿足，此方案不可取。

這項(xiàng)工作的驗(yàn)證比較簡單，就是在有測速單元的小車上，同時增加PWM輸出模擬測速，將兩個測速的結(jié)果輸出，對輸出的數(shù)據(jù)畫出曲線，就可直觀的看出兩者的差距。

另一項(xiàng)工作是，在原有的平臺上增加了一個升壓模塊，將L298N的Vin由以前的7.4V提高到12V，小車的穩(wěn)定性有一定的改觀，關(guān)于這一點(diǎn)一是通過觀察就可感覺到平衡的穩(wěn)定性有所提高，另外通過數(shù)據(jù)分析也可明顯的得出結(jié)論。在兩種電壓(注意，此時的Kp、Kd、PB等參數(shù)都要做相應(yīng)的調(diào)整，使得每種電壓下都是最佳狀態(tài))下，將PID的輸出值(這個值是在輸出限制在255以內(nèi)之前的值)，觀察超過255的頻數(shù)就可得出結(jié)論，如果超過255，在輸出之前被限制了，就說明這次調(diào)整是不到位的。

第三項(xiàng)工作是增加了一個四通道遙控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能，這項(xiàng)工作中就利用PWM的輸出近似得出小車的速度。這個遙控開關(guān)也很便宜，雖然只有A、B、C、D四個按鍵，但可以輕易的做到八個有效狀態(tài)的控制。這八個狀態(tài)分別為：A、B、C、D、AB、CD、AC、BD。

Arduino Nano源程序如下:

//利用超聲波測距傳感器實(shí)現(xiàn)小車平衡

char val='z'; //調(diào)節(jié)與控制命令字

double Kp=0.01, Kd=0.02; //PID系數(shù)

unsigned int PB_ad=0, KP_ad=0, KD_ad=0, i; //平衡點(diǎn)調(diào)整，PID各調(diào)整設(shè)定系數(shù)

unsigned int Len_Echo = 0; //回波時間

int E_0 = 0, E_1 = 0, PWM_Out; //誤差，PWM輸出

double Len_filter = 0, Len_0 = 100; //測距濾波，機(jī)械平衡距離

unsigned int TrigPin = 4; //HC-SR04觸發(fā)信號

unsigned int EchoPin = 5; //HC-SR04回波檢測

unsigned int M_IN1 = 6; // L298-IN1

unsigned int M_IN2 = 7; // L298-IN2

unsigned int M_IN3 = 8; // L298-IN3

unsigned int M_IN4 = 9; // L298-IN4

unsigned int M_ENA = 10; // L298-ENA

unsigned int M_ENB = 11; // L298-ENB

//初始化

void setup() {

Serial.begin(115200);

pinMode(M_ENA, OUTPUT); //電機(jī)控制

pinMode(M_IN1, OUTPUT);

pinMode(M_IN2, OUTPUT);

pinMode(M_ENB, OUTPUT);

pinMode(M_IN3, OUTPUT);

pinMode(M_IN4, OUTPUT);

pinMode(EchoPin, INPUT); //超聲波測距

pinMode(TrigPin, OUTPUT);

digitalWrite(TrigPin, LOW);

for(i=0; i<64; i++) {

PB_ad += analogRead(A0); //讀取平衡點(diǎn)電位器設(shè)定值

KP_ad += analogRead(A1); //讀取PID-P電位器設(shè)定值

KD_ad += analogRead(A2); //讀取PID-D電位器設(shè)定值

}

Kp *= KP_ad/64; //Kp = 3.23;

Kd *= KD_ad/64; //Kd = 8.14;

Len_0 += PB_ad/640; //Len_0 = 189;

i = 0;

}

//主循環(huán)程序

void loop() {

if (Serial.available() > 0) {

val = Serial.read();

if(val == 'F') {

Serial.print(Len_0); Serial.print("\t"); Serial.print(Kp); Serial.print("\t"); Serial.println(Kd);//查看設(shè)置參數(shù)

}

if(val == 'L') {

Serial.print(Len_Echo); Serial.print("\t"); Serial.println(Len_filter); //查看傳感器實(shí)測值,濾波值

}

}

digitalWrite(TrigPin, HIGH); //發(fā)送超聲波測量觸發(fā)脈沖

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(TrigPin, LOW);

Len_Echo = pulseIn(EchoPin, HIGH); //回波時間測量

if((Len_Echo < 300) && (Len_Echo > 70)) {

Len_filter *= 0.7; //一階互補(bǔ)濾波

Len_filter += 0.3*Len_Echo;

i ++;

if(i > 50){

E_0 = Len_0 - Len_filter;

PWM_Out = Kp * E_0 + Kd * (E_0 - E_1);

E_1 = E_0;

i = 100;

SetMotorVoltage(PWM_Out);

}

}else {

SetMotorVoltage(0); //超出平衡范圍，停止PWM輸出

}

delay(5); //延時5毫秒，保證超聲測距可靠工作

}

//電機(jī)輸出

void SetMotorVoltage(int MotorVol) {

if(MotorVol >=0) {

digitalWrite(M_IN1, LOW);

digitalWrite(M_IN2, HIGH);

digitalWrite(M_IN3, LOW);

digitalWrite(M_IN4, HIGH);

}else {

digitalWrite(M_IN1, HIGH);

digitalWrite(M_IN2, LOW);

digitalWrite(M_IN3, HIGH);

digitalWrite(M_IN4, LOW);

MotorVol = -MotorVol;

}

if(MotorVol > 255) MotorVol = 255; //防止PWM值超過255

analogWrite(M_ENA, MotorVol);

analogWrite(M_ENB, MotorVol);

}復(fù)制代碼

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的arduino平衡车超声波_Arduino Nano DIY超声波测距平衡小车源码与资料分享的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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