描述

嘿伙計(jì)們，今天在本教程中，我們將學(xué)習(xí)一些復(fù)雜的東西。那是關(guān)于使用 Magicbit 和 Arduino IDE 的自平衡機(jī)器人。所以讓我們開(kāi)始吧。

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首先，讓我們看看什么是自平衡機(jī)器人。自平衡機(jī)器人是兩輪機(jī)器人。特殊之處在于機(jī)器人可以在不使用任何外部支撐的情況下自行平衡。通電后，機(jī)器人會(huì)站起來(lái)，然后通過(guò)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)不斷地保持平衡。所以現(xiàn)在你對(duì)自平衡機(jī)器人有了一些粗略的了解。

理論與方法論

為了平衡機(jī)器人，首先我們從某個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)以測(cè)量機(jī)器人與垂直平面的角度。為此，我們使用了 MPU6050。從傳感器獲取數(shù)據(jù)后，我們計(jì)算垂直平面的傾斜度。如果機(jī)器人處于直線和平衡位置，則傾斜角為零。如果不是，則傾斜角為正值或負(fù)值。如果機(jī)器人向前傾斜，那么機(jī)器人應(yīng)該向前移動(dòng)。此外，如果機(jī)器人向反方向傾斜，則機(jī)器人應(yīng)向反方向移動(dòng)。如果這個(gè)傾斜角很高，那么響應(yīng)速度應(yīng)該很高。反之亦然，傾斜角低則反應(yīng)速度應(yīng)低。為了控制這個(gè)過(guò)程，我們使用了稱為 PID 的特定定理。PID是用于控制許多過(guò)程的控制系統(tǒng)。PID 代表 3 個(gè)進(jìn)程。

• P-比例
• I-積分
• D-導(dǎo)數(shù)

每個(gè)系統(tǒng)都有輸入和輸出。同樣這個(gè)控制系統(tǒng)也有一些輸入。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，即偏離穩(wěn)定狀態(tài)。我們稱之為錯(cuò)誤。在我們的機(jī)器人中，誤差是垂直平面的傾斜角。如果機(jī)器人是平衡的，那么傾斜角為零。所以誤差值將為零。因此PID系統(tǒng)的輸出為零。該系統(tǒng)包括三個(gè)獨(dú)立的數(shù)學(xué)過(guò)程。

• 第一個(gè)是數(shù)字增益的乘法誤差。這種增益通常稱為 Kp。

P=誤差*Kp

• 第二個(gè)是在時(shí)域中生成誤差的積分，并將其與一些增益相乘。這種增益稱為 Ki

I = 積分（誤差）* Ki

• 第三個(gè)是時(shí)域誤差的導(dǎo)數(shù)，并將其乘以一定量的增益。該增益稱為 Kd

D=(d(誤差)/dt)*kd

添加上述操作后，我們得到最終輸出

輸出=P+I+D

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因?yàn)镻部分機(jī)器人可以得到與偏差成正比的穩(wěn)定位置。我部分計(jì)算了誤差與時(shí)間圖的面積。所以它試圖讓機(jī)器人始終準(zhǔn)確地穩(wěn)定位置。D 部分測(cè)量時(shí)間與誤差曲線的斜率。如果誤差增加，則該值為正。如果誤差在減小，則該值為負(fù)。因此，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到穩(wěn)定位置時(shí)，反應(yīng)速度會(huì)降低，這將有助于消除不必要的超調(diào)。

PID 功能的輸出限制在 0-255 范圍（8 位 PWM 分辨率），并將作為 PWM 信號(hào)饋送到電機(jī)。

硬件設(shè)置

現(xiàn)在這是硬件設(shè)置部分。機(jī)器人的設(shè)計(jì)取決于你。當(dāng)您設(shè)計(jì)機(jī)器人的身體時(shí)，您必須考慮它關(guān)于位于電機(jī)軸的垂直軸對(duì)稱。電池組位于下方。因此機(jī)器人很容易平衡。在我們的設(shè)計(jì)中，我們將 Magicbit 板垂直固定在機(jī)身上。我們使用了兩個(gè) 12V 齒輪電機(jī)。但是您可以使用任何類型的齒輪電機(jī)。這取決于您的機(jī)器人尺寸。

當(dāng)我們討論電路時(shí)，它由 7.4V 鋰電池供電。Magicbit 使用 5V 供電。因此我們使用 7805 穩(wěn)壓器將電池電壓調(diào)節(jié)到 5V。在更高版本的 Magicbit 中，不需要該調(diào)節(jié)器。因?yàn)樗墓╇婋妷焊哌_(dá) 12V。我們直接為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供 7.4V。

根據(jù)下圖連接所有組件。

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軟件設(shè)置

在代碼中，我們使用 PID 庫(kù)來(lái)計(jì)算 PID 輸出。

下載它的最新版本。

為了獲得更好的傳感器讀數(shù)，我們使用了 DMP 庫(kù)。DMP 代表數(shù)字運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這是 MPU6050 的內(nèi)置功能。該芯片集成了運(yùn)動(dòng)處理單元。所以需要閱讀和分析。在它向微控制器（在本例中為 Magicbit（ESP32））生成無(wú)噪聲準(zhǔn)確輸出之后。但是在微控制器方面有很多工作來(lái)獲取讀數(shù)并計(jì)算角度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們使用了 MPU6050 DMP 庫(kù)。

要安裝庫(kù)，在 Arduino 菜單中轉(zhuǎn)到工具-> 包含庫(kù)->add.zip 庫(kù)并選擇您下載的庫(kù)文件。

在代碼中，您必須正確更改設(shè)定點(diǎn)角度。PID 常數(shù)值因機(jī)器人而異。因此，在調(diào)整時(shí)，首先將 Ki 和 Kd 值設(shè)置為零，然后增加 Kp，直到您獲得更好的反應(yīng)速度。更多的 Kp 會(huì)導(dǎo)致更多的過(guò)沖。然后增加 Kd 值。總是以很少的量增加它。該值通常低于其他值。現(xiàn)在增加 Ki 直到你有很好的穩(wěn)定性。

選擇正確的 COM 端口和板卡類型。上傳代碼。現(xiàn)在你可以玩你的 DIY 機(jī)器人了。