DIY一个会卖萌的自平衡机器人.doc

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1、DIY一个会卖萌的自平衡机器人　　Nano的创意始于2013年暑假，那时候它还叫“蛋黄”，当时的想法是制作一个入门级的自平衡小车（因为赶上学校飞思卡尔比赛，当时报的平衡组，当预习功课了），初步的设想是：基于Arduino制作，可以用PS2手柄遥控，能平衡能走，最好还会卖萌。　　其实那也是我第一次接触和使用Arduino，当时少年穷…买了一块国产的minipro裸板，感觉有点开心，然后没多久就被我瞎接电源给霍霍了…　　　　最初版的蛋黄就是用minipro做的，由于当时还没有3D打印机可供差遣，所以所有部件连接基本都是靠万能的万能胶，整体结构十分的粗犷，怎么

2、说呢这也许就是蒸汽朋克风吧（并不是）。　　蛋黄的资料发在论坛之后引起了不少关注，很多同学被顺利地带进了自平衡小车的坑…一年多时间还不断有人问我相关的问题，也正因如此，羞愧于靠着这么点干货应付大家许久，加之个人对自平衡系统有了更深刻的理解…于是决定改进初代蛋黄的诸多不足，着手设计制作蛋黄的2.0版本。　　对于初代的不满情绪主要集中体现在外表（毕竟颜值就是战斗力），速度控制（当时几乎没有用上速度环，只能靠不断手动调节平衡点进行移动），扩展性（初代的外设太简陋，没有完全发挥处理器的性能），以及外表（可以看出我真的很在意…）。　　最后就有了Nano啦~　　　　—

3、—————————————————————————————————————–　　好啦接下来会介绍制作一只Nano的详细教程，其中包括一些有关自动控制的原理和个人遇到的一些问题和经验总结。另外值得说明的是，实现自平衡机器人的完整控制需要大量的参数调试过程，因此本教程会尽量以通俗的方式介绍原理和调试方法，但还是需要您拥有一定的电子制作基础、熟悉Arduino的使用、较强的动手能力，以及坚定的极客精神，祝成功：-）　　　　#原理篇　　自平衡小车是一种典型的倒立摆控制模型，什么是倒立摆呢，普通的钟摆相信大家都见过　　　　当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力

4、与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置，这个力称之为回复力，其大小为　　F=−mgsinθ　　在偏移角度θ很小的情况下，sinθ≈θ，所以回复力与偏移的角度之间大小成正比关系，方向相反，在此恢复力作用下，单摆便进行周期运动。　　而考虑在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动的角速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。　　现在来看这样一个等效模型　　　　我们的车模其实就相当于一个倒立的钟摆，可以看到，这时候重力对于物体的作用是向下的，也就是当物体偏移了一点角度之后，重力作用会和

5、偏移角度方向相同，如果车轮不运动的话，摆就会很快倒下。　　为了解决这个问题，使得倒立摆能够像单摆一样，稳定在垂直位置，我们有两个办法：（1）改变重力的方向（2）增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反。　　显然能够做到的只有第二种方法，为此我们根据摆的偏移角度控制车轮加减速运动，这样在小车的坐标系（非惯性系）里，摆就会受到额外的惯性力作用，最终让摆平衡起来。　　再通俗一点说，就是当我们发现小车向前倒的时候就赶紧让它轮子加速向前，发现小车向后倒的时候就赶紧让它轮子加速向后，只要这个过程做得足够精确和快速，就能实现小车的自平衡。　　　　#硬件篇　　原理里面说

6、了我们要根据小车偏移的角度来控制轮子的加减速，那么根据需求这里面需要用到的模块就有：　　Arduino主控板—选任何一块你熟悉的就行，推荐nano，小巧，下载方便　　陀螺仪加速度计模块—用来测量倾角，推荐MPU6050，便宜，使用方便　　减速电机—尺寸自定，但最终输出转速为300rpm左右会比较合适，值得注意的是电机必须带编码器或者码盘来测速，单相或者两相的都可以　　电机驱动—普通尺寸的电机推荐TB6612驱动芯片，比L298的效率高不易发热（平均电流1.2A左右，功率更大请选L298或其他驱动）；迷你电机用L9110s模块即可，便宜也很小巧　　蓝牙模块

7、—用于和手机通信，从模块或者主从一体的都可以　　按键—任何两个脚的按键都可以，用来进行一些设置　　电池—如果是用高于5V的锂电供电的话就可以直接使用，但如果做迷你车用3.7v的小电池供电，就需要注意得额外加一个DC升压模块，否则Arduino可能无法正常工作在16MHz　　额外扩展的模块可以有：　　超声波模块—可用于测距和避障，SR04比较常用，更小巧一点的有RCW-0001，当然更小的还可以买收发一体的自己DIY　　距离传感器—夏普的一系列传感器，比超声模块贵一些，但效果也更好　　OLED显示屏—用来显示状态数据当然少不了屏幕，0.96寸的分辨率128

8、×64效果非常好，注意最好买SPI接口的，因为I2C可能跟MPU60