本文作者：立創開源硬件平臺 OSHWHub 用戶@Leannnus，禁止商用，未經許可禁止轉載，點擊查看原文章

1、項目介紹

平衡車幾乎是每個人入坑電子DIY的必做項目。包括了：傳感器采集處理、電機運動控制、pid算法調節等許多領域





同時兼顧專業性和趣味性，非常適合作為入門練習項目。本項目在外形結構和軟件控制方面實現了比較好的平衡，外觀小巧，運動性能卓越。

2、基本信息

主控芯片：ESP32-WROOM
六軸加速度傳感器模塊：MPU6050。用于獲取姿態信息。
芯片：DRV8833驅動電機運動，提供較大電流。
電機：選用N20減速電機。帶有AB相霍爾編碼器用于測量轉速。
供電：選用7.4V鋰電池(2s)。
經線性穩壓器：LM1084穩壓至5V。再使用1117穩壓至3.3V給ESP32供電。
程序部分：基于Arduino IDE。使用開源庫實現角度獲取和pid算法平衡控制；使用JSON庫編寫了指令解析程序，用于藍牙遠程調節pid參數；并借助開源的安卓藍牙APP用來遙控小車運動。


3、特別說明

本項目電路焊接部分有一定的門檻！！如果對小型貼片器件的焊接沒有把握，不建議嘗試 打板的時候選嘉立創SMT代工，省去了自己焊的麻煩。此類平衡車原理都大差不差，也可以為大家制作屬于自己的平衡車提供參考。非常樂意和大家一起交流學習~


4、迭代記錄

第一版

第一次設計，直接采用模塊連接的方式。電路簡單，PCB挖槽復用。作為電機固定板，無需多次打板。以上設計導致空間利用率低，實際外形比較大，孔位估算不夠合理，電機間距大，沒有電池安放位。接線復雜，整體美觀度不夠。

第二版

在第一版的基礎上想用冰墩墩作為外形設計。內部挖空放置模塊，電路部分基本無改動，模塊式組合。裝好之后表面看起來效果還可以。全是可愛的冰墩墩的功勞。外殼設計效果不佳，組合后的電路板很難塞進外殼，內部固定起來比較費勁。重心很高，平衡控制起來比較困難。

第三版

下面是最終版本，第三版的設計說明。

01、硬件設計
主要以3D建模、焊接組裝、材料清單三個方面展開描述。


3D建模

完整結構建模：原本計劃使用兩層板堆疊即可（比如第一版），中間位置放置電池。但電機排線需要向上突出，下面放不了電池，所以額外增加了一層，使用三層板堆疊結構。下面兩層使用亞克力切割，最上層為電路板，電池放置在上層。下層挖空引出電機排線，亞克力板還需增加電機固定架孔位，將電機安排得盡可能靠近來減小橫向間距。solidworks建模如下：

除電路板外，需要定制的僅兩塊相同的亞克力板，從solidworks導出為DWG文件即可定制。

02、焊接和組裝

電路板焊接測試：CH340缺了一個電容（見debug部分）。這個版本暫時飛線解決了，然后上了一坨熱熔膠固定。電源接口也加上了熱熔膠，防短路。


整體組裝：下面兩層亞克力板，上面一層PCB，用M3六角銅柱連接固定，長度能短則短，但電池和排線需要一定的空間。下面用的長度15mm，上面是20mm，最下面的電機是用的附贈的電機座，螺絲固定。




Debug記錄：CH340 V3接口缺少一個0.1uF電容接地，導致無法正常連接串口，當前版本用飛線接上電容后可以正常工作，PCB已在v1.1版本中修復。電機排線6p插座方向設置錯誤，原設計打算放在背面，但根據實際接線順序需要放在正面，已在v1,.1版中標出，請注意檢查，否則容易造成短路風險。

03、材料清單

其他元件： 剩下的CH340、AMS1117還有電阻電容等元件比較常規，可根據BOM表配單，立創直接下單或某寶挨個買都行，買的時候注意封裝型號。主要以硬件、軟件兩個角度展開說明。

硬件部分

模型文件都上傳到附件了，包含完整的solidworks建模裝配體文件。小車按照實際尺寸建模，可以提供一點參考。亞克力板切割用里面的DWG文件，放了兩塊一樣的板，直接某寶定制即可。電路圖部分請直接從末尾的立創EDA工程文件打開，附件就不放了，原理圖里添加了大量的注釋，供參考。

軟件部分

見附件代碼，當前為最新版本，后續優化會標上版本號上傳。使用Arduino IDE開發，需要自行下載準備的庫有：<ArduinoJson.h>、<MPU6050_tockn.h>。工程中的每個模塊為.h+.cpp文件的組合，已添加了很多注釋，可自行查閱。

藍牙調參
需要將最開頭的BTMODE 宏定義修改為0（默認為1，即遙控模式）。手機端APP用任意的藍牙調試APP都行，發送指令格式見代碼中的注釋說明：

/* 藍牙發送參數指令，使用JSON格式進行打包和解析，字符串格式：
"{"cmd":1,"data":[p,i,d]}" ,  (p、i、d為常數) * cmd=1：角度環pid設置 * cmd=2：速度環pid設置 * cmd=3：轉向環pid(暫未添加) * cmd=4：角度平衡值, 發送格式："{"cmd":4,"data":[angle]}" , (angle為常數) * cmd=5：速度值，同角度 * cmd=6：轉向值，同上 **/

藍牙遙控

遙控用的APP已放在附件中，僅限安卓平臺。在APP里自行配置的搖桿參數如下圖所示：

4、設計圖

原理圖（點擊進入嘉立創EDA編輯器打開）

  

PCB圖（點擊進入嘉立創EDA編輯器打開）

5、總結

從結構與軟件層面進行總結。

結構層面：目前迷你程度幾乎已經達到極限(電機大小限制)。如果再要減小的話就要換更小的電機才行。從外觀來看現在最大的問題在電池接線，大部分暴露在外面降低美觀性，同時電機排線也比較突出，倒地的時候撞到排線，可能造成損壞，考慮連接座換成直針，代替目前的彎針即可解決。

軟件層面：PID運行的前一分鐘，電機運動會出現明顯的滯后和超調現象，運行一段時間才能恢復正常的平衡模式。目前未排查到原因，估計是某些變量初始化時的問題，還在排查中。

小車運行穩定程度也還有提升空間，靜止時還不能很穩。一方面PID算法和參數還可以優化，另一方面可能受編碼器分辨率影響。按20Hz采樣率，得到編碼器數據范圍是0-50左右的整數值，數據精度十分有限。

后續可能的更新：優化PID算法，爭取達到更穩定的效果，換一種更緊湊美觀的外形結構。

更多詳情及附件，可從原工程查看。

本文作者：立創開源硬件平臺 OSHWHub 用戶@Leannnus，禁止商用，未經許可禁止轉載