迷你掌上平衡车miniBot - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 更新记录 ### 2023/03/09 上传模型step文件。 ### 2022/11/30 更新软件部分原理讲解。 ### 2022/11/17 原购买链接均已失效了，清单后更新了商品截图，可按图搜索购买。同时增加了蓝牙调参的说明。 ### 2022/08/02 创建开源工程，添加部分说明文档。

目录

• 1.项目介绍
• 2.硬件设计
• 3.软件设计
• 4.制作说明 <---- 有制作经验的朋友可直接跳转查看制作说明
• 5.总结

资料大纲已规划好，陆续更新中......

1.项目介绍

1.0 前言

平衡车几乎是每个人入坑电子DIY的必做项目，包括了传感器采集处理、电机运动控制、pid算法调节等许多领域，同时兼顾专业性和趣味性，非常适合作为入门练习项目。本项目经过几次版本迭代（见后续介绍），最后确定为当前的形态，在外形结构和软件控制方面实现了比较好的平衡，外观小巧，运动性能卓越。

特别说明：

• 本项目电路焊接部分有一定的门槛，如果对小型贴片器件的焊接没有把握，不建议尝试 ，或者可以打板的时候选嘉立创SMT代工，省去了自己焊的麻烦（广告费麻烦结一下）。
• 此类平衡车原理都大差不差，也可以为大家制作属于自己的平衡车提供参考，非常乐意和大家一起交流学习~

1.1 基本介绍

使用ESP32-WROOM作为主控芯片，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，提供较大电流，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(2s)，经线性稳压器LM1084稳压至5V再使用1117稳压至3.3V给ESP32供电。

程序部分基于Arduino IDE，使用开源库实现角度获取和pid算法平衡控制，使用JSON库编写了指令解析程序，用于蓝牙远程调节pid参数，并借助开源的安卓蓝牙APP用来遥控小车运动。

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1.2 开源链接与演示视频

B站演示视频：【自制】超迷你的掌上平衡车，可蓝牙pid调参、远程控制_哔哩哔哩_bilibili

立创开源平台：minibot - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)

1.3 迭代记录

第一版：

• 第一次设计，直接采用模块连接的方式，电路简单
• PCB挖槽复用，作为电机固定板，无需多次打板
• 以上设计导致空间利用率低，实际外形比较大
• 并且孔位估算不够合理，电机间距大，没有电池安放位
• 接线复杂，整体美观度不够

相关演示视频：刚调好角度环pid的平衡车，还不太稳_哔哩哔哩_bilibili

第二版：

• 在第一版的基础上想用冰墩墩作为外形设计，内部挖空放置模块
• 电路部分基本无改动，模块式组合
• 但外壳设计效果不佳，组合后的电路板很难塞进外壳，并且无法固定
• 装好之后表面看起来效果还可以，全是可爱的冰墩墩的功劳
• 内部固定起来比较费劲，并且重心很高，平衡控制起来比较困难，具体效果请看下面的演示视频

最后的效果见下图，演示视频戳：平衡车第二弹-颤颤巍巍的冰墩墩_哔哩哔哩_bilibili

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下面是当前的最终版本，第三版的设计说明。

2.硬件设计

2.1 3D建模

完整结构建模：原本计划使用两层板堆叠即可（比如第一版），中间位置放置电池，但电机排线需要向上突出，下面放不了电池，所以额外增加了一层，使用三层板堆叠结构，下面两层使用亚克力切割，最上层为电路板，电池放置在上层，下层挖空引出电机排线，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。solidworks建模如下：

除电路板外，需要定制的仅两块相同的亚克力板，从solidworks导出为DWG文件即可定制。

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2.2 电路设计

2.2.1 原理图设计

电源：使用2s电池7.4V标称电压供电，接入点设置开关控制通断。主控供电为3.3V，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（LDO），第一级使用LM1084降压至5V，第二级使用AMS1117降压至3.3V。

电机驱动：驱动芯片使用DRV8833，比较便宜，虽然驱动电流不太大，但足够带动N20电机。一个芯片可驱动两路电机，功能表如下，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。

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串口下载电路：Type-C + CH340C实现串口通信，常规的双三极管电路实现自动下载。

MPU6050电路：直接使用了模块，接入四根线（电源、接地、两根信号线）即可正常读取数据。

其余电路细节请查看工程原理图，已添加大量注释说明。

2.2.2 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一点，方便布线。MPU6050模块下方空白处也放置了一些小器件，带一点3D立体电路的感觉。

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。

电路设计水平有限，欢迎各位提出宝贵意见，共同学习进步，感谢。

2.2.3 焊接和组装

电路板焊接测试
CH340缺了一个电容（见debug部分），这个版本暂时飞线解决了，然后上了一坨热熔胶固定。电源接口也加上了热熔胶，防短路。

整体组装
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。下面用的长度15mm，上面是20mm，最下面的电机是用的附赠的电机座，螺丝固定。

2.3 Debug记录

• CH340 V3接口缺少一个0.1uF电容接地，导致无法正常连接串口，当前版本用飞线接上电容后可以正常工作，PCB已在v1.1版本中修复。

• 电机排线6p插座方向设置错误，原设计打算放在背面，但根据实际接线顺序需要放在正面，已在v1,.1版中标出，请注意检查，否则容易造成短路风险。

3.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ESP32的蓝牙功能，通过手机连接蓝牙设备，使用蓝牙串口助手APP发送指令即可实现远程调节参数。 <center class="half"> </center> 程序开发选择Arduino，导入ESP32相应的软件包即可开始开发之旅。Arduino庞大的开源社区为整个开发流程提供了极大便利，大量的驱动库可免费下载，比如本项目中角度传感器部分即使用了开源的“MPU6050_tockn”驱动库，能够直接获取处理后角度数据。PID运算代码也是基于“ArduPID”库的修改，去掉了里面定时器部分的内容，使用起来更加直观。

3.1 PID控制

**PID控制算法简介** PID算法是一种控制算法，主要用来控制一个对象中的某一物理量，使其达到设定值。比如平衡小车中，就是控制小车保持在平衡状态（小车偏角保持在设定的平衡角度）。 对于PID参数的理解可以参考稚晖君的教程，这篇文章写得非常好，推荐给大家参考学习：[稚晖君教你制作全球最迷你的自平衡机器人](https://mp.weixin.qq.com/s/BUNY3fMRWaGpU5tszZn6sw) PID库函数：基于<ArduPID.h>库的修改，去掉了里面定时器部分的内容，看起来更加直观，修改后的文件 `"PID.cpp"` 和 `"PID.h" ` 均已直接添加到文件列表，不需要额外下载，其使用方法一致，参考链接：[https://github.com/PowerBroker2/ArduPID](https://github.com/PowerBroker2/ArduPID) 具体使用示例如下，以角度环PID为例： ```C++ //全局参数定义： ArduPID pid_ang; double ang_set = -1.0; double ang_in, ang_out; double ang_p = 98.0; double ang_i = 0.0; double ang_d = 170.0; //PID参数初始化（运行一次） pid_ang.begin(&ang_in, &ang_out, &ang_set, ang_p, ang_i, ang_d); pid_ang.setOutputLimits(-1000.0, 1000.0); //设置PID输出PWM的幅度限制 pid_ang.setWindUpLimits(-50.0,50.0); //设置PID积分限幅 //循环运行： ang_in = get_angle(); //获取输入值，get_angle()非实际代码，仅作演示 pid_ang.compute();//计算pid参数 set_value(ang_out);//将计算结果输出到控制对象 ```

3.1.1 角度环pid

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。 **角度获取：** 调用Arduino开源库<MPU6050_tockn.h>直接读取角度，根据安装方向，前后摆动的偏角为Y轴角度值。 **角度机械中值获取：** 小车前后摆动的中点为机械中值，表现为向前倒和向后倒的临界点角度，以此角度值做为平衡点。 > 未完待续

3.1.2 速度环pid

3.1.3 双环并联

3.2 蓝牙控制

3.2.1 远程调参

3.2.2 遥控运动

4.制作说明

4.1 材料清单

主要元器件：

名称	数量	单价	说明	链接
ESP32-WROOM	1	12.3	型号选ESP-WROOM-32	下单链接
MPU6050	1	6	常用模块，其他来源的基本也通用	下单链接
DRV8833	1	2.5	选drv8833模块，模块比芯片便宜，于是选择买模块拆芯片	下单链接
N20电机	2	25	型号选的是6V-310转	下单链接
7.4V电池	1	34.5	2s电池，选700毫安时JST接口(还需准备一个2P排针做插座)，最好再自己买一个充电器	下单链接
M3铜柱	8	7.8(共20个)	选M3 *15和M3 *20共两种	下单链接
M3螺母	4	1.5(共100个)	在上面铜柱这家店(优信电子)买，搜M3就有	--
ZH1.5-6P母座	2	2.4(共10个)	选6P弯针(后面发现直针更美观，只是焊接需注意极性)	下单链接
ZH1.5-6P双头排线	2	4.2(共5个)	选6P双头，长度任意	下单链接
拨动开关	1	2(共20个)	型号选SK12D07VG4拨动开关2档3脚，好几个差不多的，注意别选错了	下单链接
亚克力板	2	--	自行定制，定制文件见附件模型装配/亚克力切割.DWG	--

其他元件： 剩下的CH340、AMS1117还有电阻电容等元件比较常规，可根据BOM表配单，立创直接下单或某宝挨个买都行，买的时候注意封装型号。

**主要元件商品截图：**  

4.2 开源文件说明

4.2.1 硬件部分

模型文件都上传到附件了，包含完整的solidworks建模装配体文件，小车按照实际尺寸建模，可以提供一点参考。亚克力板切割用里面的DWG文件，放了两块一样的板，直接某宝定制即可。

电路图部分请直接从末尾的立创EDA工程文件打开，附件就不放了，原理图里添加了大量的注释，供参考。

4.2.2软件部分：

见附件代码，当前为最新版本，后续优化会标上版本号上传。使用Arduino IDE开发，需要自行下载准备的库有<ArduinoJson.h>、<MPU6050_tockn.h>。工程中的每个模块为.h+.cpp文件的组合，已添加了很多注释，可自行查阅。

蓝牙调参： 先将平衡车连接到手机：应用商店搜索下载蓝牙串口APP（一般都有，随便下载一个即可。代码中需要将最开头的BTMODE 宏定义修改为0（默认为1，是遥控模式），烧录程序后在蓝牙设置中找到“minibot”连接配对。连接后找到类似下图的界面发送调参指令，指令格式见代码中的注释说明： 

/* 蓝牙发送参数指令，使用JSON格式进行打包和解析，字符串格式："{"cmd":1,"data":[p,i,d]}" ,  (p、i、d为常数)
 * cmd=1：角度环pid设置
 * cmd=2：速度环pid设置
 * cmd=3：转向环pid(暂未添加)
 * cmd=4：角度平衡值, 发送格式： "{"cmd":4,"data":[angle]}" , (angle为常数)
 * cmd=5：速度值，同角度
 * cmd=6：转向值，同上
**/

蓝牙遥控： 遥控用的APP已放在附件中，仅限安卓平台。在APP里自行配置的摇杆参数如下图所示：

5.总结

5.1 当前问题

结构层面: 目前迷你程度几乎已经达到极限(电机大小限制)，如果再要减小的话就要换更小的电机才行。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运行的前一分钟，电机运动会出现明显的滞后和超调现象，运行一段时间才能恢复正常的平衡模式，目前未排查到原因，估计是某些变量初始化时的问题，还在排查中。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，按20Hz采样率，得到编码器数据范围是0-50左右的整数值，数据精度十分有限。

5.2 后续展望

• 优化PID算法，争取达到更稳定的效果
• 换一种更紧凑美观的外形结构