空心杯电机平衡摆

一、缺陷

空心杯电机+螺旋桨方案不如换用动量轮方案，设计之初是为了低成本，才选择空心杯电机+螺旋桨，但是后面发现调试时噪声实在太大，完全不适合在宿舍调，在实验室也只能等没人才好调，后面发现，换用动量轮成本其实差不多。

 

二、硬件介绍

第一版：

MCU：GD32F103CBT6

无线模块：海凌科B25

充电芯片：TP4057

电机驱动芯片：DRV8833

第二版：

MCU：GD32F103CBT6

蓝牙模块：海凌科B25

充电芯片：TP4057

电机驱动芯片：RZ7899

 

第一版存在的问题：太过自信，MCU最小系统没有复位按键，BOOT 按键，导致打板回来，用DAP-Link识别不了芯片，换用ST-Link偶尔能识别芯片，如果预留了复位按键和BOOT按键，那么找问题时就方便很多。由于ST-Link大部分时刻可以下载程序，故开始编写各个部分的代码；直至最后驱动电机时，发现怎么都驱动不了电机，单片机开漏，推挽输出模式都试过了，要么是买的DRV8833有问题（从一家店买的），要么是DRV8833原理图有问题（有大佬知道可以帮忙指出），后面没有重新买DRV8833，因为对原板子不满意，就直接重新打板了。

 

第二版基本没有啥问题，唯一的问题就是用DAP-Link和ST-Link都识别不了单片机，但是用串口可以下载程序，并且能正常运行；为什么下载器无法识别单片机，我怀疑是焊的时候烧坏了单片机的JTAG外设(但概率很小)，有可能也是原理图的问题，但是我实在想不出一个下载电路，原理图有啥问题，还望有大佬能指点一二。

 

充电IC为TP4057，这个芯片挺好用的，充电电流最高支持500ma，我这里用的是100ma。

 

海凌科B25这个蓝牙模块也挺好用的，响应速度很不错，后面调参时，曲线基本上是实时的，使用起来也很简单。我调参时，是将平衡摆上的B25设置为从机模式，另一块板子配置为主机模式，另一块板子就是第一版的板子，上面有个B25模块，我就索性将这个废弃板子加给串口模块用来充当平衡摆与PC的通讯桥梁，直观理解如下图：

我最开始的想法是将平衡摆蓝牙模块配置为从机，直接连接PC蓝牙，然后用python将蓝牙虚拟出一个串口与调参软件连接，如下图：

 

注：RZ7899这个驱动芯片缺点是驱动频率不能太高，据说只能1KHZ，我用的是2KHZ，实测高于2KHZ芯片发热很严重（网上也有很多说的）；优点是外围电路简单，宽电压，大电流，价格便宜好买。

 

 

三、配件3D模型

总共在立创打了三个零件，并且打印了两次（自己的打印机在家吃灰）

整个平衡摆结构大概是这个样子的

调试X方向时：

调试Y方向时：

 

四、PID调参心得

用PID做控制算法时，首先要确定是用增量式PID还是位置式PID，具体怎么选可以参考这个视频 【智能平衡车：（2）PID控制算法初步了解】 【精准空降到 12:24】 https://www.bilibili.com/video/BV1jW4y197fD/?share_source=copy_web&vd_source=68337adbea96c8cef50403a4b2809df6&t=744 

 

确定好用什么PID后，写好PID控制程序

’

然后根据平衡摆实际现象先确定三个参数的正负（这一点非常重要）

 

参数正负确定方法：总共有三项，首先要搞清楚每一项的作用效果是什么

比例效果：抑制误差产生

积分效果：某一方向误差存在的时间越久，抑制误差效果越明显

微分效果：抑制移动

 

比例系数正负确定：将积分系数和微分系数设为0，然后将比例系数设为正数，产生误差时，如果作用效果是抑制误差，就说明比例系数应该为正数，反之为负数。

积分系数正负确定：将比例系数和微分系数设为0，然后将积分系数设为正数，产生误差是，如果作用效果是 产生误差时，随着时间推移，抑制误差效果越来越明显，就说明积分系数是正数，反之就是负数。

微分系数正负确定：将比例系数和积分系数设为0，然后将微分系数设为正数，然后移动平衡摆，如果作用效果是抑制你移动，就说明微分系数是正，反之就是负数。

 

除去上述P、I、D三个参数，还有两个参数，一个是目标角度，一个是积分误差最大累加值

 

其他的调参过程就不多说了，后续会录制一个调参视频，上传B站（录完发布后会发在评论里面），附上今天的调参笔记：

 

12月12日

用陀螺仪原始角速度配合角度，确定好参数正负后，效果还行，能立起来了，但是稳态误差靠积分无法消除，且还出现增大积分作用，反而误差增大的离奇现象；同时参数没有调好，响应慢。

为此做了以下测试步骤：

1.因为陀螺仪芯片在角速度为0时，输出的角速度不为0，导致微分作用一直存在，故改用自己计算的瞬时角速度输入到微分项——测试结果：自己计算的瞬时角速度变化太快，积分参数要非常大才有效果，且配合其他参数，整体控制效果不如使用陀螺仪的角速度

2.给自己计算的角速度做一个低通滤波，上一次取0.9，本次取0.1，来缓解角速度变化太快——测试结果：微分参数还是很大，且太大时，微分作用会有明显震荡(有可能是微分参数没有试好，反正小了就不起作用，大了就微分项会有震荡)，整体效果不如直接用陀螺仪角速度

3.发现陀螺仪角速度在实际角速度为0时，输出的角速度稳定在30上下，故可将获取的陀螺仪角速度直接减去30输入到微分项——测试结果：微分作用的静态误差消除了，但在此基础上的积分项作用效果还是比较玄学

4.搞明白积分作用玄学效果的原因

经测试发现积分作用效果玄学原因：

产生玄学效果时，限幅是对积分输出结果限幅，这就导致积分输入是可以增大到很大的，导致积分响应非常迟缓，就出现了刚开始所说的玄学效果（搞明白这个上述积分作用现象都能合理解释了）

所以正确的做法是对积分输入进行限幅，而不是对输出限幅

测试结果：整体效果非常不错，定目标角度（目标角度不调整）的情况下，可以调参至系统非常稳定，稳态误差非常小，但是存在的问题有以下几个：

4.1 目标角度微调1~2度，效果变化不大，但是目标角度变化大的时候，系统虽然能平衡，但是稳态误差就会变大，此时需要新的参数才能消除稳态误差。

4.2 系统响应速度比较慢，减弱微分作用的话，系统就会震荡，故只能使微分作用较大才能保持系统不震荡，带来的问题就是系统响应较慢（应该是正常现象）

4.3 增加了弹射起步

4.4 以上PID算法所做的事情就是将平衡摆的角度控制到人为设置的目标角度，可以尝试使用自适应目标角度，实现更好的自稳定效果（例如：在一边增加负重的时候，能自动调整向另一边倾斜，使系统以最小的代价保持平衡）

 

五、程序流程图

程序流程比较简单，就是并行执行三个任务

六、实物展示

【空心杯加螺旋桨做的平衡摆-哔哩哔哩】 https://b23.tv/Vf6erXg