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Raw Blame History

自平衡莱洛三角形可充电版

介绍

在B站“基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形”基础上添加了充电模块 主控芯片使用ESP32，并配置了调参上位机，可以很方便的通过wifi无线调参。无刷控制使用灯哥开源FOC。制作出一个方便复刻的自平衡莱洛三角形，在桌面上作为一个摆件还是非常不错的展示视频

左：使用灯哥开源FOC2.0板测试

中：13*13cm立创紫PCB

右：10*10cm最终版本

1 软件架构

自平衡控制为LQR算法输出期望速度，使动量轮加速运动从而控制三角形左右方向。并且代码的调参都可以通过连接ESP32的wifi调整。具体特性如下：

基于 Arduino：运行在 ESP32 Arduino 上
自带测试模式：电压测试和速度测试，可以单独输出电压让电机转动，也可以设置指定速度让电机保持速度

2 硬件特性

说明	参数
莱洛三角形尺寸	100*100 mm
动量轮尺寸	80*80 mm
电池*3	厚x长x宽:7.9mmx25mmx40mm 规格内均可
输入电压	3.7v锂电池*3
充电电压	5V 从Type-C口输入
充电芯片CS5095	5V输入,最大1.2A充电电流
串口芯片CH340C	需要打开开关才能下载
主控芯片	ESP-WROOM-32
电机驱动芯片L6234PD	引脚:32, 33, 25, 22; 22为enable
AS5600 编码器	SDA-23 SCL-5 　芯片要离磁铁有 2mm以上高度
MPU6050六轴传感器	SDA-19 SCL-18

3 使用说明

前往灯哥开源FOCgit下载Arduino开发环境（~~也可自行下载Arduino并安装SimpleFOC~~）并打开本项目内的Arduino内的main。
烧录程序到ESP32：选择工具-开发板-esp32 Arduino-ESP32 Dev module，然后连接USB口选择对应的com口，编译上传。
1. 　如无法正常编译
  1. 情况1：wifi库重复，删除文件夹Arduino\libraries内的wifi文件夹。
  2. 情况2：可能与原有arduino冲突，请卸载原有的arduino。
  3. 情况3：文件夹路径含有非法字符，可以把Arduino移动到硬盘根目录下，如D:\Arduino
打开本项目内的python_gui内的可执行文件_main内的main.exe并连接上WIFI：ESP32 密码：12345678。点击设置开始调参。
连接成功后，点击disable，然后逆时针拨动动量轮，查看上位机中V参数是否为正值。注意！如果逆时针转为为负值那么需要将电机线任意两线互换。
如果电机不能正常运行可以，点击上位机中最下方的测试部分，打开电压或者速度测试，滑动滑条，查看电机能否正常运行。如还不能请检测硬件电路部分。
如果不能摇摆直立，推荐调整的参数为TA、SA、SV
K值可以用滑块调整，拖动滑块就会发送参数命令，但是调整到合适值之后需要自行在Arduino的main中修改再烧录一次
滑条：最左边输入框为滑块下限，右边是滑块上限，滑条等分成200份，命令是字符串，滑动滑块发送字符串 + 数值

比如让平衡角度为90度，则输入：TA90，并且会存入eeprom的位置0中注：wifi发送命令不能过快，因为每次都会保存进eeprom，K参数没有保存到EEPROM所以可以使用滑条调整。

参数命令	说明
TA	target_angle平衡角度例如TA89.3 设置平衡角度89.3
SV	swing_up_voltage摇摆电压左右摇摆的电压，越大越快到平衡态，但是过大会翻过头
SA	swing_up_angle摇摆角度离平衡角度还有几度时候，切换到自平衡控制
VP1	速度环的PID的P，1是稳定在平衡角度之前的P值
VI1	速度环的PID的I，1是稳定在平衡角度之前的I值
VP2	速度环的PID的P，2是稳定后的P值
VI2	速度环的PID的I，2是稳定后的I值
K为LQR参数	3和4是速度控制稳定前和后
K31	LQR的参数1：稳定前的角度差值
K32	LQR的参数2：稳定前的左右倾倒加速度
K33	LQR的参数3：稳定前的当前速度
K41	LQR的参数1：稳定后的角度差值
K42	LQR的参数2：稳定后的左右倾倒加速度
K43	LQR的参数3：稳定后的当前速度
LQR算法解释：当三角形向←倾斜时，需要产生向→的力回正。

在电压控制下：回正力F直接和输出电压值挂钩，向←倾斜，电机提供正电压V动量轮向左加速转动，产生向右的力F。

期望电压 = 角度差值x参数1 + 左右倾倒加速度x参数2 + 当前速度x参数3

在速度控制下：回正力F和动量轮转速加速度a有关，F = ma，向←倾斜，电机需要向左加速转动，产生向右的力F。

期望速度 = 角度差值x参数1 + 左右倾倒加速度x参数2 + 当前速度x参数3

两者区别：电压和速度控制都可以实现平衡，但因为使用simpleFOC控制电机转速无法无限加速，本电机实验最高转速180转，电压到上限12v。

使用电压控制会遇到，电机一下子就到了转速上限，就不能提供稳定的力F，参数调起来比较困难。

速度控制可以在偏差变大的时候，根据期望速度产生最大电压12v，并且不会超过电机最高转速。

4 硬件设计

使用立创EDA绘制电路原理图，LaserMaker绘制莱洛三角形和动量轮（有激光切割机可以事先切割结构作为参考）。将绘制完的图形导入到立创EDA中可作为PCB的外框。丝印图案分别是Gawr Gura、ouro kronii ~~helicopter~~

LaserMaker绘制的plt在莱洛三角结构文件夹内，需要重新绘制电路图可以使用

感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利，点击下方超链接可以前往嘉立创进行PCB制板

莱洛三角形PCB

动量轮

具体需要购买的物品在物料清单.xlsx中，如果缺货请自行某宝更换

5 Ctrl+C +V（参考）

Arduino上的控制算法是原作者的LQR，无刷电机控制是灯哥开源FOC。电机控制引脚定义与传感器定义和灯哥开源FOC控制板2.0版一样。

Python的GUI是SimpleFOC的SimpleFOCStudio。

充电电路是立创广场开源的CS5095充电方案。

原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形BV19v411n7mN
灯哥开源FOC https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller
充电芯片电路https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu

6 有用的地方

Arduino的程序中的command.h、command.cpp可以支持任意的字符串输入。在其他项目中一样可以用，无论是wifi接收到的字符串数据或者是串口的字符串数据。
GUI上位机可以在其他wifi项目中可以继续使用，用来调参还是很方便。

7 未解之谜

问题1：在传感器读取当前角度pitch在0和360来回切换时候，卡尔曼滤波值会慢慢变化，得到的值无法反映正确的当前角度。导致有一个面无法摇摆平衡。

问题2：摇摆到平衡态时，参数不太好时，可能会摇摆过头，或者一直左右摇摆不能到平衡态。就算调好参数也会偶尔发生摇摆过头现象。

8 交流Q群

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