21年电赛 | 做一辆超mini平衡自行车，全开源

大家好，我是张巧龙，今天给大家带来一个平衡自行车，我实验室一个19级的本科生做的，他21年也获得了全国电赛二等奖（F题）的成绩。

人嘛，非常帅的一个小伙子。B站ID：_旺仔小菠萝，欢迎大家围观！

好了，废话不多说，直接开整！先看展示视频，相关方案在后文。

文末开源所有文件（已经获得本人授权），程序、电路、3D打印文件。

01 硬件篇

1.1 STM32F103C8T6最小系统（小蓝板）

1.2 MPU6050姿态传感器（3.3V供电）

1.3 0.96寸OLED显示屏（四针、IIC通信、3.3V供电）

1.4 HC-05蓝牙模块（串口通信、用于接收小车运动指令）

使用教程链接：https://blog.csdn.net/weixin_44325419/article/details/110727911

1.5 超声波测距模块

1.6 N20电机及驱动（电机选型：DC 12V A12型）

1.7 无刷电机动量轮模组

该电机自带驱动和光电编码器。

该自平衡自行车中我们使用万宝至无刷伺服电机，内置驱动，支持正反转，PWM调速，并且带有100线编码器AB相双通道信号输出。

该电机接线图如上图所示，实际小车中的线的颜色可能与上图有所不符，大家要按照位置来判断而不是线的颜色。

1.信号A相和信号B相为编码器脉冲输出端；

2.正反转切换的线我们直接用单片机的引脚3.3V电平控制，是完全没有问题的；

3.编码器供电接3.3V；

4.PWM接单片机的PWM输出，启动运行我们接单片机IO口，在电机初始化时置为高电平；

5.电源负极接GND，电源正极接12V。

1.8 舵机

项目中所使用，有点小贵，可以买便宜的。

1.9 3S航模电池（注意电池尺寸）

1.10 稳压模块及开关

将航模电池电压降至5V给单片机、舵机、蓝牙、超声波、电机编码器供电。

1.11 轮子及轴承

由于小车后轮是通过皮带传动，为减小摩擦，使后轮转动更加顺滑，需在后轮安装微型轴承。（轴承根据车轴尺寸购买）

1.12 车架及转向结构（3D打印）

13. 电路PCB

将上述功能模块集成在一块PCB 电路板上（6.5x7.8cm）,为方便焊接，电容电阻及三极管均为直插式元件。

02 软件篇

2.1 main.c

#include "sys.h" float AdcValue;                       //电池电压数字量float Pitch,Roll,Yaw;                 //角度short aacx,aacy,aacz;                 //加速度传感器原始数据short gyrox,gyroy,gyroz;              //陀螺仪原始数据int PWM1;int PWM_MAX=6500,PWM_MIN=-6500;  //PWM限幅变量int Encoder_Motor;  //编码器数据（速度） int main(void){    NVIC_Config();     delay_init();    Led_Init();    Beep_Init();    Wave_SRD_Init();     uart3_init(9600);    OLED_Init();      //初始化OLED      OLED_Clear();    adc_Init();    MOTOR_1_Init();    MOTOR_2_Init();    PWM_Init_TIM3(7199,0);//定时器3初始化PWM 10KHZ，用于驱动动量轮电机     PWM_Init_TIM2(9999, 143);//定时器2初始化PWM 50HZ，用于驱动舵机    TIM_SetCompare1(TIM2, 790);//舵机复位    Init_TIM1(9998,7199);    Encoder_Init_TIM4(65535,0);    OLED_ShowString(25,4,"MPU6050...",16);    MPU_Init();            //MPU6050初始化  while(mpu_dmp_init())    {    OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 Error",16);    }      OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 OK!",16);     Beep=1;    delay_ms(400);    Beep=0;    MPU6050_EXTI_Init();    OLED_Clear();    OLED_ShowString(0,0,"Roll :         C",16);    OLED_ShowString(0,3,"Speed:         R ",16);    OLED_ShowString(0,6,"Power:        V ",16);        while(1)    {                  Wave_SRD_Strat();                AdcValue=11.09*(3.3*Get_adc_Average(ADC_Channel_4,10)/0x0fff); //ADC值范围为从0-2^12=4095（111111111111）一般情况下对应电压为0-3.3V        OLED_Showdecimal(55,0,Roll,9,16);          OLED_Showdecimal(55,3,Encoder_Motor*0.25,9,16);                 OLED_Showdecimal(50,6,AdcValue,9,16);         }}

2.2 PID控制算法

学习视频：

该小车实现直立平衡需要用到两个闭环控制，即直立环（PD控制、负反馈），速度环（PI控制、正反馈），代码原理及调试过程与两轮平衡小车调试过程基本一致。

关于PID控制算法的学习，内容较多，不好详细展开，网上资源丰富，大家可自行学习。

这里推荐一篇知乎文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/39573490

2.3 代码阅读注意点

所有头文件都包含在sys.h中，每个.h文件都包含sys.h，方便函数调用。

#ifndef __SYS_H#define __SYS_H#include "stm32f10x.h"#include "adc.h"#include "oled.h"#include "led.h" #include "beep.h"#include "wave.h"#include "control.h" #include "exti.h" #include "mpu6050.h"#include "inv_mpu.h"#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h" #include "motor.h"#include "pwm.h"#include "encoder.h"#include "usart.h"   #include "delay.h"#include <math.h>#include <stdlib.h>

STM32F10x系列的MCU复位后，PA13/14/15 & PB3/4默认配置为JTAG功能。有时我们为了充分利用MCU I/O口的资源，会把这些端口设置为普通I/O口。

使用JLINK向STM32烧录程序时，需要使用6个芯片的引脚（以STM32F103C8T6为例），分别是PB4 / JNTRST，PB3 / JTDO，PA13 / JTMS，PA14 / JTCK，PA15 / JTDI，NRST。

当芯片IO口资源比较紧张时，可选择SW模式烧录程序。

SWD只需用到PA13 / JTMS，PA14 / JTCK两根线，NREST可以接可不接，剩下的PB4 / JNTRST，PB3 / JTDO和PA15 / JTDI就可以当然普通IO使用，但是这三个口当然普通IO使用时需要先进行如下配置。（这里MPU6050模块用到PB3和PB4引脚）