基于Arduino的遥控自平衡小车
一、项目简介
一个使用Arduino Nano、MPU-6050以及便宜的6伏直流齿轮电机的自平衡机器人。这个机器人不仅能够站立，还能通过nRF24L01传输的无线数据进行行走。我还增加了一个超声波传感器用于距离测量。我使用了所有方便得到的东西，不需要复杂的3D打印模型或者昂贵的步进电机。
实物图：
二、所需材料
- 2x arduino nano
- 2x nrf24l01
- 1x L298N motor driver
- 2x Small size breadboard
- Jumper wires
- 2x Dc 6v geared motor
- MPU 6050 Triple Axis Accelerometer and Gyro Breakout
- 1x 10k potentiometer
- 1x 10k resistor
- 6x 18650 lithium batteries
三、理论支持
像倒立摆一样，自平衡机器人的重心位于轮子之上，使其天生不稳定。机器人需要不断调整其轮子以保持90度的直立位置，类似于倒立摆的底座必须移动以保持摆杆直立。
机器人持续监测其倾斜角度。如果它开始向前倾倒，轮子就会向前驱动，将底座移至重心下方，将其推回平衡状态。如果它向后倾斜，轮子则向相反方向移动。机器人不断调整其位置以保持平衡。机器人越快要倒下，轮子就越快地向倾斜角度旋转。
它需要持续的反馈（倾斜角度）和一个控制系统（如PID控制器）来实时调整轮子以维持稳定。我们将使用mpu-6050传感器进行实时反馈。MPU-6050设备将3轴陀螺仪和3轴加速度计结合在同一个硅芯片上，并内置了数字运动处理器（DMP）。
为了使机器人保持平衡，我们需要知道两个关键事项：
- 机器人当前的倾斜角度和期望的倾斜角度（设定点）。
- 这个角度变化的速率（机器人倾倒的速度有多快）。
为了获得这些读数：
- 我们使用加速度计来估计倾斜角度。加速度计测量不同轴上由于重力引起的加速度，这可以用来计算相对于地面的倾斜角度。
- 我们使用陀螺仪来测量角速度，这告诉我们机器人旋转或倾倒的速度有多快。
通过结合加速度计和陀螺仪的数据，通常使用互补滤波或卡尔曼滤波等技术，我们可以更准确地估算机器人的倾斜角度和角速度。然后，这些值在控制系统中用来调整电机的速度和方向以保持平衡。
在这里，我使用的是预先构建的库函数，这些函数提供了几乎准确的读数。
四、外壳设计
我使用了8毫米厚的PVC板来制作框架。您可以使用胶合板、3D打印部件或您手头上任何坚固的材料，但要确保它足够稳固。形状取决于您的想象力，但您需要考虑重量分布，分布得越好，您在编程部分需要调整的就越少。我制作了一个盒状形状以保持简单。使用图片参考来制作机身。我在接缝处使用了热熔胶。
注意：尽可能精确地将电机对齐到中心。
接下来是备受争议的部分，一些人认为大部分质量应该尽可能地放置得更高，而另一些人则持相反观点。我的逻辑是，是的，当最大质量位于底部时，很难打破平衡，但同样，从跌倒中恢复平衡也很困难。因此，我建议将大部分质量（通常是电池最重）放置在顶部或中间位置，尽管这并不是绝对必要的。我尝试了两种模型，两种模型都适用于我的模型。最终的选择取决于您的模型。
第二件重要的事情是，mpu6050放置的位置并不重要。无论您将它放置在哪里，倾斜角度总是相同的。简单的逻辑是，您将传感器放置得越低，您记录的不必要噪音就越少。但您总是可以在编码中改变读数的灵敏度。我尝试了所有三个位置（底部、中间、顶部），所有位置都能完美工作，只是需要相应地调整PID值。我们将在编程部分后面讨论PID。
五、线路连接
MPU 6050：
- 引脚名称 = Arduino引脚编号
- VCC = 5V
- GND = GND
- SCL = A4
- SDA = A5
nRF24L01：
- 引脚名称 = Arduino引脚编号
- VCC = 3V3
- GND = GND
- CE = A0
- CSN = A1
- SCK = D13
- MISO = D12
- MOSI = D11
L298N：
- 引脚名称 = Arduino引脚编号
- ENA = 3
- IN1 = 4
- IN2 = 5
- ENB = 10
- IN3 = 6
- IN4 = 7
建议在两个电机引脚上焊接0.1微法拉（uF）陶瓷电容器（104），这将最小化噪音。
六、检查MPU6050连接
在添加了所有必需的库之后。上传示例草图（使用图片参考），并检查mpu6050是否工作正常。上传草图后移动机器人，并观察串行监视器。当您移动机器人时，您会注意到偏航、俯仰和翻滚角度都在变化。
在这个阶段，记下俯仰角何时为负何时为正。这将有助于您后续的工作。
七、烧录库
‘SPI.h’ 和 ‘nRF24L01.h’：这些库处理与nRF24L01无线模块的通信。
‘RF24.h’：提供了一个更高级别的接口来控制无线模块。
‘PID_v1.h’：实现了PID（比例-积分-微分）控制算法，这对于保持平衡至关重要。
‘I2Cdev.h’ 和 ‘MPU6050_6Axis_MotionApps20.h’：用于与MPU6050传感器接口，以获取方向数据。
八、PID控制设置
PID控制器通过根据传感器读数调整电机输出来帮助保持机器人的平衡。它计算三个部分：比例、积分和微分响应，并将它们结合起来控制电机。目标是保持目标角度（setpointPitchAngle/setpointYawAngle）。我们还可以远程改变这个目标角度以使机器人向前或向后移动。当前角度和目标角度之间的差异被称为误差。PID控制器使用这个误差来确定电机的速度和方向。我们使用PID库来简化这个过程。
我们为电机设置了最小速度。测试每个电机在负载下的最低PWM值，看它从哪个值开始旋转，并将该值设置为最小速度。即使您使用的是相同的电机，这个值也可能略有不同，因此请单独调整它们，以保持两个电机以相同的速度运行。
为了保持平衡，我将目标俯仰角（setpointPitchAngle）设置为0度。然而，由于重量分布、传感器位置或传感器本身的小误差等因素，您的机器人可能不会完美地在0度处保持平衡。您可能需要通过试验和错误来调整设定点，以找到最适合您机器人的角度。
PID调整：
由于我没有使用编码器来物理确保电机的旋转，为了保持机器人平行移动，我使用了两组PID控制器。一个用于固定俯仰，另一个用于偏航。如果您将偏航PID值设置为零，机器人仍然可以使用俯仰PID保持平衡。然而，任何轻微的不平衡或地面的不平整都可能导致机器人意外旋转，从而导致它跌倒，因为没有东西控制偏航运动。
您需要像调整其他PID循环一样调整偏航循环，结合试验和错误以及经验法则循环调整方法（只需谷歌搜索即可）。
提示：KI项整合了错误时间，所以如果机器人向前或向后漂移，您应该增加PID_PITCH_KI值。您可以将其提高到PID_PITCH_KP的5/7倍。您也可以相应地进行偏航PID调整。
九、设置传感器参数
初始化MPU 6050之后，我们需要手动设置偏移量。这些偏移量用于纠正加速度计和陀螺仪的读数，以提高准确性。即使来自同一家制造商，每个传感器也有自己的偏移量。为了确定偏移量，我们将对传感器的100个原始读数取平均值。不用担心，我们不会手工进行这个操作。我们安装的库中有一个预先制作的循环程序。
首先，尽可能准确地将机器人放置在90度垂直位置，并用一些支撑物固定它，而不是用手拿着。然后打开Arduino IDE > 文件 > 示例 > MPU6050 > IMU_Zero；上传代码并打开串行监视器（9600）。这将需要4到5分钟。完成后，复制值并将相关值粘贴到程序中。
首先，我们包含了必要的库，并定义了CE和CSN引脚来创建rf24对象。CE和CSN引脚用于触发无线模块作为发射器或接收器工作。我们定义了一个地址（const byte address[6] = “ABCDE”），它就像一个密码。这个地址在发射器和接收器上必须相同，才能成功通信。
接下来，我们创建了一个包含四个1字节变量的数据包：“pot1”、“pot2”、“pot3”和“switch1”，并将其命名为“data”。在接收器端，我们将其命名为“receiverdata”。
为了访问发射器端的变量，我们使用data.pot1来访问“pot1”，使用data.pot2来访问“pot2”。在接收器端，我们以相同的方式使用receiverdata.pot1和receiverdata.pot2。
nRF24L01是一款对电流供应敏感的无线通信模块。Arduino板载的3.3V调节器可能无法提供足够的电流。因此，建议使用独立的3.3V电压调节器，并且在电源线路之间加入一个100微法拉（uF）的电解电容器，以确保电流供应的平滑性。
在void loop部分，我们将原始的模拟读数通过mapAndAdjustJoystickDeadBandValues函数进行过滤，并使用radio.write函数传输数据。
目前，我们只需要data.pot1和data.pot2变量来控制机器人的移动；data.swtch1用于开启和关闭超声波传感器。data.pot3已经被添加进去，以防我们将来需要连接其他设备。
十、无线移动控制
这部分控制机器人的俯仰角度。俯仰PID始终处于活动状态，以维持期望的角度，默认为0度。当无线遥控器工作时，它会根据电位计的值调整俯仰角度。如果无线遥控器停止工作，它会将俯仰角度重置为0度，并关闭LED以显示无线连接已丢失。
这段内容描述了机器人如何动态地在利用PID控制器实现的自动偏航控制和基于无线遥控pot2输入手动偏航调整之间切换。
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当无线遥控器可用且pot2处于中心位置（127）时：使用偏航PID控制器根据陀螺仪数据稳定机器人的偏航。
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当无线遥控器可用但pot2不在中心位置时：禁用偏航PID控制器，并通过基于pot2值调整电机速度来进行手动偏航控制。
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当无线遥控器不可用时：偏航PID控制器保持活跃，以自主维持机器人的偏航稳定性。
注意：即使偏航PID被禁用旋转，俯仰PID仍在运行并尝试保持平衡。
如果您遇到机器人尝试左右旋转而俯仰PID检测到不平衡的问题，它可能会通过调整电机速度来抵消预期的旋转，导致机器人无法按预期旋转或出现“冻结”现象。
如果遇到这个问题，首先检查无线发射器的侧面，使用串行打印查看是否物理读取了正确的值。如果不是，检查连接是否松动或考虑更换操纵杆。如果这仍然无法解决，简单地增加电机调整值。在我的情况下，我使用了200。
十一、超声波模块
我使用了3毫米PVC板和双面胶带将超声波传感器固定在机身上。
我在将超声波传感器集成到主程序中时失败了很多次。你可以查看这个Arduino论坛的帖子，从第30个帖子开始，你可以看到每次失败的尝试的详细情况。简而言之，添加超声波传感器会使循环变慢，因此机器人无法保持平衡并维持稳定的无线连接。程序以非常高的频率从mpu6050读取数据，并相应地设置电机的速度和方向。所以慢速循环会破坏每个元素之间的协调。
注意：即使偏航PID被禁用旋转，俯仰PID仍在运行并尝试保持平衡。
如果您遇到这个问题，首先检查无线发射器的侧面，使用串行打印查看是否物理读取了正确的值。如果不是，检查连接是否松动或考虑更换操纵杆。如果这仍然无法解决，简单地增加电机调整值。在我的情况下，我使用了200。
希望你喜欢这个项目，并在构建过程中找到乐趣！如果你有任何问题或需要帮助，欢迎在评论区交流。
作者：Svan.
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