今天給大家?guī)淼氖且粋€(gè)博主老倪制作的迷你的平衡自行車 項(xiàng)目，雖然是4年前的老項(xiàng)目了，不過相信我們?nèi)匀荒軓闹袑W(xué)到一些新東西。 ▼? ?演示效果 自行車平衡
DIY 分為3部分介紹：
第一部分 第二部分 第三部分 篇一：自行車平衡原理 自行車是怎么平衡的，老外做過一個(gè)非常好的視頻：自行車是怎么保持平衡的？這個(gè)視頻很好地證明了常見的”角動量守恒”的說法是錯(cuò)誤的，并且正確的說明了自行車平衡原理是和轉(zhuǎn)向相關(guān)的，但沒有具體指出平衡和轉(zhuǎn)向的關(guān)系。在這里我們就先來討論一下”角動量守恒”這種最常見的猜測為什么是錯(cuò)誤的，大致討論一下轉(zhuǎn)向是如何使自行車保持平衡的。
1、角動量守恒說 角動量守恒說的意思就是：輪子跑的時(shí)候在轉(zhuǎn)動，此時(shí)輪子就類似于陀螺，角動量守恒使自行車保持不倒。小時(shí)候也有過這樣的疑問，如果把自行車車輪固定從下坡推下，自行車能不能一直往前走？到底能不能呢？老外的視頻做了這個(gè)試驗(yàn)：
固定之后就會倒下，可見輪子的陀螺儀效應(yīng)并不是維持自行車不倒的原因。另外還有老外做了一個(gè)沒有陀螺儀效應(yīng)的自行車，該自行車也可以穩(wěn)定平衡：
以上足以說明陀螺儀效應(yīng)不是維持自行車平衡的根本原因。
2、轉(zhuǎn)向時(shí)的”離心力”是自行車平衡的根本原因 那么什么才是維持自行車平衡的原因呢？自行車可以看做是一個(gè)倒立擺（左右方向不穩(wěn)定），這個(gè)倒立擺受重力作用是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，需要額外的回復(fù)力維持平衡，而提供回復(fù)力的正是自行車轉(zhuǎn)向時(shí)的”離心力”。離心力是速度和把手轉(zhuǎn)向角的函數(shù)，在一個(gè)固定的速度下，可以認(rèn)為控制把手轉(zhuǎn)向角度就是控制回復(fù)力。我們先記住這一點(diǎn)：
維持自行車平衡，需要通過一種合適的算法控制把手角度才能使自行車穩(wěn)定平衡。 機(jī)械自平衡 或許有人會奇怪，有些自行車只要推起來就可以自己平衡，如下面視頻：
我自己也買過一個(gè)如下面這樣的遙控摩托車想要研究一下：
拆開后發(fā)現(xiàn)里面并沒有精確的轉(zhuǎn)向控制結(jié)構(gòu)，仿佛在行駛時(shí)根本沒有轉(zhuǎn)向控制，就類似于上面自行車一樣自己就可以平衡了。這到底是怎么回事呢？其實(shí)這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的牛逼之處，設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)自帶回復(fù)功能，機(jī)械結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)向會根據(jù)車身傾斜而改變，這種改變的幅度正好可以使自行車穩(wěn)定平衡。如果我們改變車身結(jié)構(gòu)，可能就會破壞原有的參數(shù)，使得自行車無法穩(wěn)定平衡。如在前輪綁一個(gè)重物：
在老外的視頻中，分析了車身傾斜對轉(zhuǎn)向的三個(gè)影響因素：
前輪轉(zhuǎn)軸后傾，導(dǎo)致傾斜時(shí)前輪轉(zhuǎn)向。 把手安裝在前面，導(dǎo)致傾斜時(shí)前輪轉(zhuǎn)向。 前輪轉(zhuǎn)動時(shí)的陀螺儀效應(yīng)，車身傾斜，陀螺儀效應(yīng)使得前輪轉(zhuǎn)向。 以上是所謂”機(jī)械自平衡”，平衡根本原因還是轉(zhuǎn)向，只不過巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)使得前輪轉(zhuǎn)向特性恰好很容易維持平衡。
手動自平衡 手動自平衡的意思就是我們自己手動控制讓它平衡。我們既然分析平衡原理，還要做一個(gè)平衡自行車出來，這一部分要好好研究一下，將會在后面理論篇重點(diǎn)討論一下控制方法。
篇二：平衡自行車-理論篇 一、模型分析 1、倒立擺 很顯然我們知道自行車在左右方向上不穩(wěn)定，這是一個(gè)很常見的物理模型——倒立擺。
顧名思義，倒立擺的意思就是倒著的擺，比如一個(gè)倒著的桿，
倒立擺的特性：不穩(wěn)定，只要偏離平衡位置，就會有一個(gè)力(重力的分力)使系統(tǒng)更加偏離平衡位置，這樣偏差就會越來越大。 一般倒立的桿在前后左右方向都有可能倒下，在二維的平面上不穩(wěn)定；而自行車僅在左右方向上可能倒下，是一維的倒立擺，這要簡單一些。 以下是幾個(gè)生活中常見的倒立擺例子： 2、自行車的平衡控制 自行車屬于倒立擺模型，倒立擺是不穩(wěn)定的，那么倒立擺應(yīng)該如何控制才能平衡呢？我們把問題拆分一下：
怎樣的狀態(tài)才叫平衡？ 我們能控制的是什么？ 如何控制才能穩(wěn)定平衡？ 2.1 怎樣的狀態(tài)才叫平衡 我們要對”平衡”進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，所謂的平衡其實(shí)就是倒立擺的傾角穩(wěn)定在一個(gè)我們想要的值。
通常我們想要平衡在
θ = 0處。
2.2 我們能控制的是什么 對于倒立擺模型，通常我們能控制的是底端的 力 或 速度 或 位置，不同的控制量對應(yīng)的控制方法不同。對于自行車來說，它的控制方式不像通常的倒立擺那樣直接控制底部，而是間接地通過轉(zhuǎn)向來控制，當(dāng)自行車以一個(gè)固定的速度前進(jìn)時(shí)，自行車把手以一定角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向(設(shè)為
α)，自行車會做相應(yīng)半徑的圓周運(yùn)動，產(chǎn)生相應(yīng)大小的”離心力”。在自行車這個(gè)費(fèi)慣性系里看來，只要對把手進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)向(
α)，就會產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)大小的橫向力:
這就是我們進(jìn)行平衡控制時(shí)的實(shí)際控制量——把手轉(zhuǎn)角
α，只要控制它就能控制回復(fù)力。
2.3 如何控制才能平衡 上面我們已經(jīng)能夠通過轉(zhuǎn)向產(chǎn)生回復(fù)力，這個(gè)回復(fù)力可以把倒立擺”掰回”平衡位置，有往回掰的回復(fù)力就能穩(wěn)定平衡了嗎？并不是這樣，我們再來回顧一下中學(xué)物理:
過阻尼狀態(tài)的擺會以較慢的速度回到平衡位置；欠阻尼狀態(tài)的擺會很快回到平衡位置，但會在平衡位置來回?cái)[動；臨界阻尼狀態(tài)的擺會以最快的速度穩(wěn)定在平衡位置。 結(jié)合到實(shí)際的自行車平衡中就是： 如果回復(fù)力不夠大，就無法矯正，或者矯正速度很慢，這會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果回復(fù)力過大，就會導(dǎo)致矯正過度，這也會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；我們最希望的狀態(tài)就是回復(fù)力剛剛好，剛好使倒立擺快速回到平衡位置，又不至于矯正過度。 這是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過程，回復(fù)力大小會在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷地計(jì)算(本平衡自行車是
20ms計(jì)算一次)，用到的是PID算法，會在后面詳細(xì)介紹。
3、自行車平衡需要解決的基本問題 獲取左右方向傾角θ 以合適的算法控制轉(zhuǎn)角α使系統(tǒng)穩(wěn)定平衡 這將會在下面詳細(xì)討論。
二、姿態(tài)檢測 1、檢測的是什么 檢測的是自行車左右傾斜的角度。
2、怎么檢測 用一個(gè)叫
gy521的模塊，里面用的是
mpu6050芯片，帶有陀螺儀和加速度傳感器。
gy521的具體使用會在第三篇-實(shí)踐篇介紹，這里我們知道通過這個(gè)模塊我們可以得到自行車各個(gè)方向的加速度和角速度。注意哦，我們不能直接得到傾斜角度，我們的到的是各個(gè)方向的加速度和角速度，需要進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算才能得到正確的傾斜角度。常用的算法有互補(bǔ)平衡濾波、卡爾曼濾波，由于篇幅和精力問題這部分暫不介紹，網(wǎng)上有大量資源，也可以查看本工程源碼，以后有時(shí)間再寫詳細(xì)教程。
三、PID算法 前面已經(jīng)分析了，我們通過控制把手轉(zhuǎn)角來控制回復(fù)力，我們需要實(shí)時(shí)計(jì)算一個(gè)合適的回復(fù)力使系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。這部分內(nèi)容也不做詳細(xì)介紹了，網(wǎng)上有大量資源，也可以查看本工程源碼。在這里引用
動力老男孩 [1] 舉的一個(gè)例子，幫大家簡單理解一下需要解決的問題，以及PID算法是如何解決的。
有一個(gè)小球在光滑球面上，小球的位置是
x，光滑球面頂端在
L處，我們可以控制小球水平方向力
F，現(xiàn)在要求讓小球穩(wěn)定平衡在
x0處。先看簡單情況?
x0=L，此時(shí)偏差為
L-x，我們給出一個(gè)比例項(xiàng)
(P) F = kp*(L-x)，這樣就會有一個(gè)回復(fù)力，當(dāng)偏差存在時(shí)就會有一個(gè)力把小球拉回
L處。這存在的問題是，小球接近L時(shí)是會有一定速度的，小球越來越接近
L，此時(shí)的力仍然是在把小球往
L處拉，這會導(dǎo)致小球到達(dá)
L時(shí)(我們想要的位置)速度很大，小球無法立刻停下來，而是會沖過去。這樣小球就會在
L附近來回?cái)[動，這是不穩(wěn)定的狀態(tài)，屬于欠阻尼狀態(tài)。為了解決上述問題需要加一個(gè)微分項(xiàng)
(D) F = kd*dx/dt = kd*v，所謂”微分”指的是位置
x對時(shí)間的微分，說白了就是速度。意思就是當(dāng)速度越大，就產(chǎn)生一個(gè)反向的力使速度減小，這樣就可以防止出現(xiàn)上面小球沖過去的。可以認(rèn)為這一項(xiàng)具有”預(yù)測”功能，預(yù)測小球下一時(shí)刻的狀態(tài)從而提前做出反應(yīng)(預(yù)測小球?qū)⒁竭_(dá)
L處，提前減速)，也可以認(rèn)為這一項(xiàng)具有阻尼作用，相當(dāng)于系統(tǒng)中有一個(gè)和速度成比例的阻尼力。這個(gè)”阻尼力”調(diào)得過小會導(dǎo)致欠阻尼狀態(tài)，調(diào)得過大會導(dǎo)致過阻尼狀態(tài)。積分項(xiàng)此時(shí)可以不用，積分項(xiàng)是當(dāng)平衡位置
x0不等于
L時(shí)使用的，當(dāng)平衡位置不是
L處，那么當(dāng)小球靜止在平衡位置
x0時(shí)，由于在坡道上會有一個(gè)恒定的橫向偏移力，此時(shí)比例調(diào)節(jié)作用為
0(Δx=0)，微分調(diào)節(jié)作用也是
0(v=0)，所以小球在該處無法平衡，會在更遠(yuǎn)離平衡位置處達(dá)到平衡，那么就會有一個(gè)長時(shí)間存在的偏差。積分作用就是檢測偏差進(jìn)行累積，對于上面這個(gè)長時(shí)間存在的偏差進(jìn)行積分(累積疊加)，使系統(tǒng)在長時(shí)間范圍可以穩(wěn)定在要求的平衡位置。
篇三：平衡自行車-實(shí)踐篇 在本文將會介紹平衡自行車的具體制作過程，包括機(jī)械、電路和代碼。
平衡自行車 完整的代碼托管在
https://github.com/nicekwell/balance_bike上GitHub網(wǎng)站卡的同學(xué)也可以在文末下載打包好的文檔。
一、材料 機(jī)械 名稱 數(shù)量 備注 銅柱、鐵絲、膠槍等基礎(chǔ)材料和工具 自行車架 1 自己做車架是很麻煩的，我是直接買的車架，淘寶上搜”自行車 拼裝 DIY”能搜到很多 舵機(jī) 1 轉(zhuǎn)向用的，對于我用的1:6車架，普通舵機(jī)有點(diǎn)大，我用的是9g舵機(jī) N20電機(jī) 1 選扭力大一點(diǎn)，這樣轉(zhuǎn)速會比較穩(wěn)定 皮帶輪和皮帶 如上面的圖片，我是用皮帶來傳輸動力的
電路 名稱 數(shù)量 備注 電池、電池盒 洞洞板 lm1117-3.3 降壓芯片給控制系統(tǒng)供電 stm32f103c8t6核心板 1 gy521模塊 1 加速度傳感器 陀螺儀 升壓模塊 1 升到12v給電機(jī)供電，根據(jù)電機(jī)特性選擇是否使用升壓模塊 8050三極管 2 驅(qū)動電機(jī)，由于自行車不需要反轉(zhuǎn)，所以不需要使用電機(jī)驅(qū)動芯片，用三極管就能方便地實(shí)現(xiàn)。我用了兩個(gè)三極管并聯(lián)提高功率。 自鎖開關(guān) 1 整個(gè)系統(tǒng)開關(guān) led指示燈 1 配合1k限流電阻 藍(lán)牙模塊 1 可選，如果想要遙控的話就使用藍(lán)牙
二、動力部分 傳動方式 如圖，我用的是皮帶傳送的方式，因?yàn)楸容^好實(shí)現(xiàn)。
電機(jī)選擇 這個(gè)
DIY 是不考慮變速情況的，平衡的參數(shù)都是按照一個(gè)固定速度調(diào)的。所以動力部分的作用就是提供一個(gè)恒定的速度，并且這個(gè)速度盡可能穩(wěn)定，盡可能不受外部影響。電機(jī)應(yīng)選擇扭力大一些、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的減速電機(jī)。
電機(jī)供電 電機(jī)是直接供電還是使用升壓模塊供電要根據(jù)電機(jī)特性，有些電機(jī)用升壓模塊可以提高功率，有些大電流電機(jī)用升壓模塊反而可能限制了電流。我這里用升壓模塊升到12v給N20電機(jī)供電的。
另外，電機(jī)通過三極管受stm32控制，通過控制占空比也可以限制電機(jī)輸出的功率。
三、轉(zhuǎn)向部分 轉(zhuǎn)向部分用一個(gè)舵機(jī)帶動把手轉(zhuǎn)動即可。
四、電路 在GitHub工程里有詳細(xì)的引腳連接表
https://github.com/nicekwell/balance_bike供電 用3.3v穩(wěn)壓芯片給整個(gè)控制系統(tǒng)供電，包括單片機(jī)、GY521模塊、藍(lán)牙模塊。 用5v穩(wěn)壓芯片給舵機(jī)供電。 用12v升壓模塊給電機(jī)供電。 下載 我是用串口給stm32下載程序的。
GY521 這個(gè)模塊通過i2c通信，只需要連接4根線。
3.3v GND PB0 ? ?GY521 I2C SCL PB1 ? ?GY521 I2C SDA （用的是IO模擬i2c） 電機(jī) 點(diǎn)擊用
12v升壓模塊供電，由于不需要反轉(zhuǎn)，用三極管即可直接驅(qū)動，電路圖如下：
加三極管的目的是為了可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比來限制輸出功率，但我的實(shí)際情況是100%輸出時(shí)動力才勉強(qiáng)足夠。所以如果你不需要限制電機(jī)輸出功率，或者通過其他方式限制輸出功率，也可以不要三極管，不通過單片機(jī)控制。
舵機(jī) 舵機(jī)是用
5v供電的，而單片機(jī)是
3.3v電平，對于pwm控制腳可以通過2個(gè)三極管實(shí)現(xiàn)同相的電平轉(zhuǎn)換：
藍(lán)牙模塊 下圖是我使用的藍(lán)牙串口模塊，可以實(shí)現(xiàn)串口透傳，只需要4根線連接：
vcc、
gnd、
txd、
rxd。
藍(lán)牙模塊是用來調(diào)試和遙控的，沒有它也能跑。建議還是加上這個(gè)模塊，在調(diào)試PID擦數(shù)時(shí)會非常方便。關(guān)于調(diào)試方面的內(nèi)容可以參考我寫的另一片文章：
談一談單片機(jī)開發(fā)的幾種調(diào)試方案 [2] 五、代碼結(jié)構(gòu) 代碼提交在GitHub
https://github.com/nicekwell/balance_bike主要分為3個(gè)部分：1、基礎(chǔ)的驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、舵機(jī)、
gy521數(shù)據(jù)讀?。?/p>2、平衡控制系統(tǒng)，核心是一個(gè)
20ms定時(shí)器，每
20ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和響應(yīng)；3、遙控和調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)log輸出、接收遙控信息。
驅(qū)動 名稱 文件 功能 i2c i2c/i2c.c, include/i2c.h IO 模擬i2c驅(qū)動，提供i2c基礎(chǔ)操作 gy521 gy521/gy521.c, include/gy521.h gy521模塊驅(qū)動，基于i2c驅(qū)動，提供加速度和角速度的讀取接口 motor motor/motor.c, include/motor.h 電機(jī)驅(qū)動，提供占空比控制接口 angle angle/angle.c, include/angle.h 舵機(jī)驅(qū)動，提供角度控制接口
平衡控制 main函數(shù)會初始化一個(gè)定時(shí)器20ms中斷一次，調(diào)用?
main/balance.c?里的?
balance_tick?函數(shù)，平衡算法在?
main/balance.c?實(shí)現(xiàn)。每
20ms到來會執(zhí)行一次：
讀取傳感器加速度和角速度信息。 互補(bǔ)平衡濾波計(jì)算當(dāng)前姿態(tài)。 用PID算法計(jì)算出前輪轉(zhuǎn)角。 遙控和調(diào)試 兩部分：狀態(tài)輸出和指令接收。
狀態(tài)輸出 在
main函數(shù)的
while循環(huán)里，利用串口中斷構(gòu)建一個(gè)簡單的界面顯示狀態(tài)。
指令接收 串口接收到的數(shù)據(jù)會傳給
main/control.c，該文件分析串口數(shù)據(jù)，解釋成相應(yīng)的操作。主要是PID參數(shù)調(diào)節(jié)。
作者：老倪 來源：http://nicekwell.net 版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。
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