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发布V3版本-3205电机

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zrg 2023-05-25 17:14:44 +08:00
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README.md
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@ -1,62 +1,140 @@
# 自平衡莱洛三角形可充电版
# V3自平衡莱洛三角形可充电RGB版
### 更新日志
2023/5/25：V3升级明细（相比V2）因为电机无货原因请制作V3版本：
1. 将2715电机更改为存量大且自带磁环的3205无限位款电机（感谢“初心不变”提供创意）；
2. 将AS5600模块插接方案更改为MT6701焊接方案，最大可能地避免了磁铁不对中、磁铁与磁编距离原因导致的PP check fail问题；
3. 将600mAh电池更改为800mAh电池，将12V转5V DCDC电路Ti方案、5V转3.3V LDO方案全部改为国产DCDC方案，增加续航35%以上；
4. 充电电路将电流限制为1A，避免极端环境下充电电感过热问题；降低了电池自放电，满电待机时间由一周增加至至少一个月；
5. 调整了电机PID参数，使用的3205电机运行更平稳；
6. 重新设计了动量轮，外径76mm+20颗M4*6螺栓（套件使用定制的不锈钢动量轮），兼容即将发布的平衡光立方；
7. 设计了电池安装板，从背后看不露电池，更加美观；
### 项目介绍
自平衡莱洛三角形，无刷驱动使用EG2133，使用esp32-arduino的simplefoc驱动。
### 介绍
**在B站[“基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形”](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN) 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](https://www.bilibili.com/video/BV1b3411x7za)
`程序附件都在`gitee [https://gitee.com/coll45/foc](https://gitee.com/coll45/foc)
<center>V1(图一)</center>
![V3](../image/v3image.jpg)
图片中间为立创彩色丝印版本，左右为最终V3版本（磁编码器集成到pcb中心）。均可以摇摆平衡，使用3205电机
![V1](image/show.png)
- cn3300充电部分设计充电截至电压12.72V（考虑到电池内阻，最终充满电压为12.43V），充电电流0.5A，电感电流1A。充电功率为5W`（充电会电感部分会烫，但不至于烧毁电路）`
<center>V2(图二)</center>
- 电机可以适配3205无刷电机`(之前使用的电机GB2204\2715均已缺货)`
![V2](image/v2image.jpg)
### 1 制作说明
gitee文件夹中V3有`自平衡莱洛三角形V3_BOM.xlsx`，元器件请根据自己选择PCB空板还是SMT自行购买
目前有两个版本
- V1(图1)：ESP32主控+L6234驱动+GB2204电机+CH340串口芯片+CS5095充电芯片
- V2(图2)：ESP32主控+EG2133+6mos驱动+2715电机+RGB+CM1010-A均衡芯片+CN3300充电芯片
[原理图以及PCB图链接](https://oshwhub.com/45coll/lai-luo-san-jiao-xing-3205-ban-ben-you-hua-bu-fen-dian-lu)
1. 在立创开源链接中，点击`在编辑器中打开`，进入EDA页面，双击对应的PCB，上方导航栏找到-制造-PCB制板文件（gerber）-生成gerber-一键PCB/SMT下单。（一定要进编辑器！！！有遇到过开源链接的bom和真实bom对不上的情况）
2. 在下单页面中下单对应的pcb，如需SMT（机器贴片）可以选需要SMT，不选SMT会得到PCB空板
3. 焊接是基本功，最好是有风枪+烙铁的情况下尝试制作。
4. 焊接有焊接助手，在`立创专业版点开对应的PCB`，上方工具栏-焊接辅助工具
**推荐制作V2，成功率高，效果更好，电机驱动芯片更便宜，还有RGB**
SMT注意：
- 选择需要SMT完成下单之后，进入订单界面。SMT分板定位孔选择-嘉立创添加，BOM与坐标清单选择-用我自己的BOM和坐标，导出文件选择-立创EDA。
- 需要上传的坐标文件和bom，都是在`EDA页面`-莱洛三角形PCB-制造-（物料清单BOM和坐标文件）中导出。
- 进入BOM匹配之后，左上角贴片数量选择-做5贴2（因为莱洛三角形制作一个需要两个PCB板，一个有元器件一个空板），贴片层-只贴顶层，产品类型-经济型，坐标文件生成方式-单板
- 强烈建议删除所有**扩展库以及推荐库**后打板（费用**做5贴2只需要90元**左右）
- SMT下单完成之后，只需购买smt删除部分的元器件（比如扩展库和推荐库）
V1和V2**`电路图以及代码`**均在对应`V1\V2`文件夹(如需制作只要打开对应版本的文件夹即可，里面有对应的README说明)
### 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
![Image text](image/gui.gif)
### 2 硬件特性
| 说明 | 参数 |
| 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CN3300 | 5V输入,最大1A充电电流 |
| 均衡芯片CM1010-A | 电池电压超过4.25V之后开始放电 |
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
| 电机驱动芯片EG2133 | 引脚:32, 33, 25 |
| 稳压芯片MT2492 | 输出5V和3.3V |
| MT6701 编码器 | SDA-23 SCL-5 |
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
| RGB灯-WS2812 | 使用GPIO16控制 |
| LED指示灯 | 功能 |
|-------------|-------------------------------------|
| LED1 | 串口指示灯，ESP32发送串口数据时会亮起 |
| LED2 | 充电完成指示灯，亮起表示充电完成，充到亮起可能需要2-3小时 |
| LED30 | 充电指示灯，亮起表示正在充电 |
| LED3 | typec的5V输入指示灯 接typec一定亮 |
| LED4 | 3.3v指示灯 电池输入12v输出3.3V |
| LED5 | 由GPIO4控制，电池电压低于9.5V时以1HZ频率闪烁 |
| LED27\28\29 | 均衡指示灯，亮起表示该电池电压高于4.25V正在通过22欧姆电阻放电中 |
| 触摸盘 | 功能 |
|-------|---------------------------------------|
| 单击时长 | 100ms以上 |
| 长按时长 | 800ms以上 |
| 点赞触摸盘 | GPOI13-Touch4-单击:开关RGB灯；长按：开关wifi和电机 |
| 投币触摸盘 | GPOI15-Touch3-单击：增加RGB灯亮度；长按：下一个RGB灯效 |
| 收藏触摸盘 | GPOI2-Touch2-单击：减少RGB灯亮度；长按：上一个RGB灯效 |
### 3 使用说明
1. 下载完本git所有文件后，打开文件夹V3/bin/flash_download_tool_3.9.2.exe
2. 打开flash_download_tool后选择chip Type "ESP32",然后点OK，在第五行选择target.bin，烧录到0x000位置![bin](../image/bin.png)
3. 使用CH340下载器，将下载器的TXD\RXD\GND用杜邦线引出，对准PCB的ESP32正上方的GND\RXD\TXD，接法为TXD-TXD\RXD-RXD\GND-GND
4. PCB焊好后，打开电源同时按住boot和RESET按钮，先松开RESET，然后松开boot进入下载模式后点START开始程序烧录
5. 如需修改参数，长按点赞触摸盘，可以打开wifi并停止电机。
6. 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 。点击设置开始调参。
7. 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<font color='red'> 逆时针转为为负值 </font>那么需要将电机线任意两线互换。
![Image text](../image/tiaocan.gif)
8. 如果电机不能正常运行可以，点击上位机中最下方的<font color='red'> 测试部分 </font>，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。
9. 如果不能摇摆直立，推荐调整的参数为TA、SA、SV
10. 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
11. 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**
12. arduino文件夹为环境可以自行修改代码编译
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 |
| ---------------- |---------------------- |
| 莱洛三角形尺寸 | 100*100 mm |
|动量轮尺寸|80*80 mm|
| 输入电压 | 3.7v锂电池*3|
|充电电压| 5V 从Type-C口输入|
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
|电机驱动|引脚:32, 33, 25|
| AS5600 编码器 |SDA-23 SCL-5 　芯片要离径向磁铁有<font color='red'> 2mm以上高度 </font>|
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
| 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|
|K3**1**|LQR的参数1：稳定前的角度差值|
|K3**2**|LQR的参数2：稳定前的左右倾倒加速度|
|K3**3**|LQR的参数3：稳定前的当前速度|
|K4**1**|LQR的参数1：稳定后的角度差值|
|K4**2**|LQR的参数2：稳定后的左右倾倒加速度|
|K4**3**|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。
### 3 硬件设计
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，PCB制作开源点击
感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利
### 4 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。
EG2133无刷驱动为立创开源方案。
### 5 Ctrl+C +V（参考）
Arduino上的控制算法是原作者的LQR，无刷驱动为立创开源的EG2133方案。
Python的GUI是以SimpleFOC的SimpleFOCStudio为基础，添加wifi功能。
V1的充电电路是立创广场开源的CS5095充电方案。
V2的充电电路是在立创广场开源的《CN3300 4串电池组板》方案基础上改的3串锂电池
@ -65,30 +143,17 @@ PCB以及原理图技术支持——muyan
wifi效果以及按键面修复代码作者——muyan
1. 原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形[BV19v411n7mN](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN)
2. muyan 立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
2. muyan立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
3. muyan git链接[https://gitee.com/muyan3000](https://gitee.com/muyan3000)
4. EG2133驱动参考[https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc](https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc)
5. 灯哥开源FOC [https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller](https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller)
6. CS5095充电芯片电路[https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu](https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu)
7. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
8. Arduino-Esp32环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
6. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
7. Arduino环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
### 5 有用的地方
### 6 有用的地方
1. 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。
2. 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。
### 6 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。（已解决）（使用muyan的代码完美解决）
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。（V2的2715电机可以让摇摆平衡的成功率提高到80%）
### 7 交流Q群
45coll电子交流QQ群：**824113552**
欢迎交流与沟通

171
v2/README.md
View File

@ -1,140 +1,62 @@
# V3自平衡莱洛三角形可充电RGB版
### 更新日志
2023/5/25：V3升级明细（相比V2）因为电机无货原因请制作V3版本：
1. 将2715电机更改为存量大且自带磁环的3205无限位款电机（感谢“初心不变”提供创意）；
2. 将AS5600模块插接方案更改为MT6701焊接方案，最大可能地避免了磁铁不对中、磁铁与磁编距离原因导致的PP check fail问题；
3. 将600mAh电池更改为800mAh电池，将12V转5V DCDC电路Ti方案、5V转3.3V LDO方案全部改为国产DCDC方案，增加续航35%以上；
4. 充电电路将电流限制为1A，避免极端环境下充电电感过热问题；降低了电池自放电，满电待机时间由一周增加至至少一个月；
5. 调整了电机PID参数，使用的3205电机运行更平稳；
6. 重新设计了动量轮，外径76mm+20颗M4*6螺栓（套件使用定制的不锈钢动量轮），兼容即将发布的平衡光立方；
7. 设计了电池安装板，从背后看不露电池，更加美观；
### 项目介绍
自平衡莱洛三角形，无刷驱动使用EG2133，使用esp32-arduino的simplefoc驱动。
# 自平衡莱洛三角形可充电版
`程序附件都在`gitee[https://gitee.com/coll45/foc]（https://gitee.com/coll45/foc）
### 介绍
**在B站[“基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形”](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN) 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](https://www.bilibili.com/video/BV1b3411x7za)
![V3](../image/v3image.jpg)
图片中间为立创彩色丝印版本，左右为最终V3版本（磁编码器集成到pcb中心）。均可以摇摆平衡，使用3205电机
<center>V1(图一)</center>
- cn3300充电部分设计充电截至电压12.72V（考虑到电池内阻，最终充满电压为12.43V），充电电流0.5A，电感电流1A。充电功率为5W`（充电会电感部分会烫，但不至于烧毁电路）`
![V1](image/show.png)
- 电机可以适配3205无刷电机`(之前使用的电机GB2204\2715均已缺货)`
<center>V2(图二)</center>
### 1 制作说明
gitee文件夹中V3有`自平衡莱洛三角形V3_BOM.xlsx`，元器件请根据自己选择PCB空板还是SMT自行购买
![V2](image/v2image.jpg)
[原理图以及PCB图链接](https://oshwhub.com/45coll/lai-luo-san-jiao-xing-3205-ban-ben-you-hua-bu-fen-dian-lu)
1. 在立创开源链接中，点击`在编辑器中打开`，进入EDA页面，双击对应的PCB，上方导航栏找到-制造-PCB制板文件（gerber）-生成gerber-一键PCB/SMT下单。（一定要进编辑器！！！有遇到过开源链接的bom和真实bom对不上的情况）
2. 在下单页面中下单对应的pcb，如需SMT（机器贴片）可以选需要SMT，不选SMT会得到PCB空板
3. 焊接是基本功，最好是有风枪+烙铁的情况下尝试制作。
4. 焊接有焊接助手，在`立创专业版点开对应的PCB`，上方工具栏-焊接辅助工具
目前有两个版本
- V1(图1)：ESP32主控+L6234驱动+GB2204电机+CH340串口芯片+CS5095充电芯片
- V2(图2)：ESP32主控+EG2133+6mos驱动+2715电机+RGB+CM1010-A均衡芯片+CN3300充电芯片
SMT注意：
- 选择需要SMT完成下单之后，进入订单界面。SMT分板定位孔选择-嘉立创添加，BOM与坐标清单选择-用我自己的BOM和坐标，导出文件选择-立创EDA。
- 需要上传的坐标文件和bom，都是在`EDA页面`-莱洛三角形PCB-制造-（物料清单BOM和坐标文件）中导出。
- 进入BOM匹配之后，左上角贴片数量选择-做5贴2（因为莱洛三角形制作一个需要两个PCB板，一个有元器件一个空板），贴片层-只贴顶层，产品类型-经济型，坐标文件生成方式-单板
- 强烈建议删除所有**扩展库以及推荐库**后打板（费用**做5贴2只需要90元**左右）
- SMT下单完成之后，只需购买smt删除部分的元器件（比如扩展库和推荐库）
**推荐制作V2，成功率高，效果更好，电机驱动芯片更便宜，还有RGB**
V1和V2**`电路图以及代码`**均在对应`V1\V2`文件夹(如需制作只要打开对应版本的文件夹即可，里面有对应的README说明)
### 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
![Image text](image/gui.gif)
### 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CN3300 | 5V输入,最大1A充电电流 |
| 均衡芯片CM1010-A | 电池电压超过4.25V之后开始放电 |
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
| 电机驱动芯片EG2133 | 引脚:32, 33, 25 |
| 稳压芯片MT2492 | 输出5V和3.3V |
| MT6701 编码器 | SDA-23 SCL-5 |
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
| RGB灯-WS2812 | 使用GPIO16控制 |
| LED指示灯 | 功能 |
|-------------|-------------------------------------|
| LED1 | 串口指示灯，ESP32发送串口数据时会亮起 |
| LED2 | 充电完成指示灯，亮起表示充电完成，充到亮起可能需要2-3小时 |
| LED30 | 充电指示灯，亮起表示正在充电 |
| LED3 | typec的5V输入指示灯 接typec一定亮 |
| LED4 | 3.3v指示灯 电池输入12v输出3.3V |
| LED5 | 由GPIO4控制，电池电压低于9.5V时以1HZ频率闪烁 |
| LED27\28\29 | 均衡指示灯，亮起表示该电池电压高于4.25V正在通过22欧姆电阻放电中 |
| 触摸盘 | 功能 |
|-------|---------------------------------------|
| 单击时长 | 100ms以上 |
| 长按时长 | 800ms以上 |
| 点赞触摸盘 | GPOI13-Touch4-单击:开关RGB灯；长按：开关wifi和电机 |
| 投币触摸盘 | GPOI15-Touch3-单击：增加RGB灯亮度；长按：下一个RGB灯效 |
| 收藏触摸盘 | GPOI2-Touch2-单击：减少RGB灯亮度；长按：上一个RGB灯效 |
### 3 使用说明
1. 下载完本git所有文件后，打开文件夹V3/bin/flash_download_tool_3.9.2.exe
2. 打开flash_download_tool后选择chip Type "ESP32",然后点OK，在第五行选择target.bin，烧录到0x000位置![bin](../image/bin.png)
3. 使用CH340下载器，将下载器的TXD\RXD\GND用杜邦线引出，对准PCB的ESP32正上方的GND\RXD\TXD，接法为TXD-TXD\RXD-RXD\GND-GND
4. PCB焊好后，打开电源同时按住boot和RESET按钮，先松开RESET，然后松开boot进入下载模式后点START开始程序烧录
5. 如需修改参数，长按点赞触摸盘，可以打开wifi并停止电机。
6. 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 。点击设置开始调参。
7. 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<font color='red'> 逆时针转为为负值 </font>那么需要将电机线任意两线互换。
![Image text](../image/tiaocan.gif)
8. 如果电机不能正常运行可以，点击上位机中最下方的<font color='red'> 测试部分 </font>，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。
9. 如果不能摇摆直立，推荐调整的参数为TA、SA、SV
10. 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
11. 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**
12. arduino文件夹为环境可以自行修改代码编译
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 |
| 说明 | 参数 |
| ---------------- |---------------------- |
| 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|
|K3**1**|LQR的参数1：稳定前的角度差值|
|K3**2**|LQR的参数2：稳定前的左右倾倒加速度|
|K3**3**|LQR的参数3：稳定前的当前速度|
|K4**1**|LQR的参数1：稳定后的角度差值|
|K4**2**|LQR的参数2：稳定后的左右倾倒加速度|
|K4**3**|LQR的参数3：稳定后的当前速度|
| 莱洛三角形尺寸 | 100*100 mm |
|动量轮尺寸|80*80 mm|
| 输入电压 | 3.7v锂电池*3|
|充电电压| 5V 从Type-C口输入|
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
|电机驱动|引脚:32, 33, 25|
| AS5600 编码器 |SDA-23 SCL-5 　芯片要离径向磁铁有<font color='red'> 2mm以上高度 </font>|
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
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
### 3 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
感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利，PCB制作开源点击
### 5 Ctrl+C +V（参考）
Arduino上的控制算法是原作者的LQR，无刷驱动为立创开源的EG2133方案。
### 4 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。
EG2133无刷驱动为立创开源方案。
Python的GUI是以SimpleFOC的SimpleFOCStudio为基础，添加wifi功能。
V1的充电电路是立创广场开源的CS5095充电方案。
V2的充电电路是在立创广场开源的《CN3300 4串电池组板》方案基础上改的3串锂电池
@ -143,17 +65,30 @@ PCB以及原理图技术支持——muyan
wifi效果以及按键面修复代码作者——muyan
1. 原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形[BV19v411n7mN](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN)
2. muyan立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
2. muyan 立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
3. muyan git链接[https://gitee.com/muyan3000](https://gitee.com/muyan3000)
4. EG2133驱动参考[https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc](https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc)
5. 灯哥开源FOC [https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller](https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller)
6. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
7. Arduino环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
6. CS5095充电芯片电路[https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu](https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu)
7. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
8. Arduino-Esp32环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
### 6 有用的地方
### 5 有用的地方
1. 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。
2. 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。
### 6 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。（已解决）（使用muyan的代码完美解决）
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。（V2的2715电机可以让摇摆平衡的成功率提高到80%）
### 7 交流Q群
45coll电子交流QQ群：**824113552**
欢迎交流与沟通

171
v3/README.md
View File

@ -1,62 +1,140 @@
# 自平衡莱洛三角形可充电版
# V3自平衡莱洛三角形可充电RGB版
### 更新日志
2023/5/25：V3升级明细（相比V2）因为电机无货原因请制作V3版本：
1. 将2715电机更改为存量大且自带磁环的3205无限位款电机（感谢“初心不变”提供创意）；
2. 将AS5600模块插接方案更改为MT6701焊接方案，最大可能地避免了磁铁不对中、磁铁与磁编距离原因导致的PP check fail问题；
3. 将600mAh电池更改为800mAh电池，将12V转5V DCDC电路Ti方案、5V转3.3V LDO方案全部改为国产DCDC方案，增加续航35%以上；
4. 充电电路将电流限制为1A，避免极端环境下充电电感过热问题；降低了电池自放电，满电待机时间由一周增加至至少一个月；
5. 调整了电机PID参数，使用的3205电机运行更平稳；
6. 重新设计了动量轮，外径76mm+20颗M4*6螺栓（套件使用定制的不锈钢动量轮），兼容即将发布的平衡光立方；
7. 设计了电池安装板，从背后看不露电池，更加美观；
### 项目介绍
自平衡莱洛三角形，无刷驱动使用EG2133，使用esp32-arduino的simplefoc驱动。
### 介绍
**在B站[“基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形”](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN) 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](https://www.bilibili.com/video/BV1b3411x7za)
`程序附件都在`gitee [https://gitee.com/coll45/foc](https://gitee.com/coll45/foc)
<center>V1(图一)</center>
![V3](../image/v3image.jpg)
图片中间为立创彩色丝印版本，左右为最终V3版本（磁编码器集成到pcb中心）。均可以摇摆平衡，使用3205电机
![V1](image/show.png)
- cn3300充电部分设计充电截至电压12.72V（考虑到电池内阻，最终充满电压为12.43V），充电电流0.5A，电感电流1A。充电功率为5W`（充电会电感部分会烫，但不至于烧毁电路）`
<center>V2(图二)</center>
- 电机可以适配3205无刷电机`(之前使用的电机GB2204\2715均已缺货)`
![V2](image/v2image.jpg)
### 1 制作说明
gitee文件夹中V3有`自平衡莱洛三角形V3_BOM.xlsx`，元器件请根据自己选择PCB空板还是SMT自行购买
目前有两个版本
- V1(图1)：ESP32主控+L6234驱动+GB2204电机+CH340串口芯片+CS5095充电芯片
- V2(图2)：ESP32主控+EG2133+6mos驱动+2715电机+RGB+CM1010-A均衡芯片+CN3300充电芯片
[原理图以及PCB图链接](https://oshwhub.com/45coll/lai-luo-san-jiao-xing-3205-ban-ben-you-hua-bu-fen-dian-lu)
1. 在立创开源链接中，点击`在编辑器中打开`，进入EDA页面，双击对应的PCB，上方导航栏找到-制造-PCB制板文件（gerber）-生成gerber-一键PCB/SMT下单。（一定要进编辑器！！！有遇到过开源链接的bom和真实bom对不上的情况）
2. 在下单页面中下单对应的pcb，如需SMT（机器贴片）可以选需要SMT，不选SMT会得到PCB空板
3. 焊接是基本功，最好是有风枪+烙铁的情况下尝试制作。
4. 焊接有焊接助手，在`立创专业版点开对应的PCB`，上方工具栏-焊接辅助工具
**推荐制作V2，成功率高，效果更好，电机驱动芯片更便宜，还有RGB**
SMT注意：
- 选择需要SMT完成下单之后，进入订单界面。SMT分板定位孔选择-嘉立创添加，BOM与坐标清单选择-用我自己的BOM和坐标，导出文件选择-立创EDA。
- 需要上传的坐标文件和bom，都是在`EDA页面`-莱洛三角形PCB-制造-（物料清单BOM和坐标文件）中导出。
- 进入BOM匹配之后，左上角贴片数量选择-做5贴2（因为莱洛三角形制作一个需要两个PCB板，一个有元器件一个空板），贴片层-只贴顶层，产品类型-经济型，坐标文件生成方式-单板
- 强烈建议删除所有**扩展库以及推荐库**后打板（费用**做5贴2只需要90元**左右）
- SMT下单完成之后，只需购买smt删除部分的元器件（比如扩展库和推荐库）
V1和V2**`电路图以及代码`**均在对应`V1\V2`文件夹(如需制作只要打开对应版本的文件夹即可，里面有对应的README说明)
### 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
![Image text](image/gui.gif)
### 2 硬件特性
| 说明 | 参数 |
| 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CN3300 | 5V输入,最大1A充电电流 |
| 均衡芯片CM1010-A | 电池电压超过4.25V之后开始放电 |
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
| 电机驱动芯片EG2133 | 引脚:32, 33, 25 |
| 稳压芯片MT2492 | 输出5V和3.3V |
| MT6701 编码器 | SDA-23 SCL-5 |
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
| RGB灯-WS2812 | 使用GPIO16控制 |
| LED指示灯 | 功能 |
|-------------|-------------------------------------|
| LED1 | 串口指示灯，ESP32发送串口数据时会亮起 |
| LED2 | 充电完成指示灯，亮起表示充电完成，充到亮起可能需要2-3小时 |
| LED30 | 充电指示灯，亮起表示正在充电 |
| LED3 | typec的5V输入指示灯 接typec一定亮 |
| LED4 | 3.3v指示灯 电池输入12v输出3.3V |
| LED5 | 由GPIO4控制，电池电压低于9.5V时以1HZ频率闪烁 |
| LED27\28\29 | 均衡指示灯，亮起表示该电池电压高于4.25V正在通过22欧姆电阻放电中 |
| 触摸盘 | 功能 |
|-------|---------------------------------------|
| 单击时长 | 100ms以上 |
| 长按时长 | 800ms以上 |
| 点赞触摸盘 | GPOI13-Touch4-单击:开关RGB灯；长按：开关wifi和电机 |
| 投币触摸盘 | GPOI15-Touch3-单击：增加RGB灯亮度；长按：下一个RGB灯效 |
| 收藏触摸盘 | GPOI2-Touch2-单击：减少RGB灯亮度；长按：上一个RGB灯效 |
### 3 使用说明
1. 下载完本git所有文件后，打开文件夹V3/bin/flash_download_tool_3.9.2.exe
2. 打开flash_download_tool后选择chip Type "ESP32",然后点OK，在第五行选择target.bin，烧录到0x000位置![bin](../image/bin.png)
3. 使用CH340下载器，将下载器的TXD\RXD\GND用杜邦线引出，对准PCB的ESP32正上方的GND\RXD\TXD，接法为TXD-TXD\RXD-RXD\GND-GND
4. PCB焊好后，打开电源同时按住boot和RESET按钮，先松开RESET，然后松开boot进入下载模式后点START开始程序烧录
5. 如需修改参数，长按点赞触摸盘，可以打开wifi并停止电机。
6. 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 。点击设置开始调参。
7. 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<font color='red'> 逆时针转为为负值 </font>那么需要将电机线任意两线互换。
![Image text](../image/tiaocan.gif)
8. 如果电机不能正常运行可以，点击上位机中最下方的<font color='red'> 测试部分 </font>，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。
9. 如果不能摇摆直立，推荐调整的参数为TA、SA、SV
10. 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
11. 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**
12. arduino文件夹为环境可以自行修改代码编译
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 |
| ---------------- |---------------------- |
| 莱洛三角形尺寸 | 100*100 mm |
|动量轮尺寸|80*80 mm|
| 输入电压 | 3.7v锂电池*3|
|充电电压| 5V 从Type-C口输入|
| 主控芯片 | ESP-WROOM-32 |
|电机驱动|引脚:32, 33, 25|
| AS5600 编码器 |SDA-23 SCL-5 　芯片要离径向磁铁有<font color='red'> 2mm以上高度 </font>|
| MPU6050六轴传感器 | SDA-19 SCL-18 |
| 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|
|K3**1**|LQR的参数1：稳定前的角度差值|
|K3**2**|LQR的参数2：稳定前的左右倾倒加速度|
|K3**3**|LQR的参数3：稳定前的当前速度|
|K4**1**|LQR的参数1：稳定后的角度差值|
|K4**2**|LQR的参数2：稳定后的左右倾倒加速度|
|K4**3**|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。
### 3 硬件设计
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，PCB制作开源点击
感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利
### 4 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。
EG2133无刷驱动为立创开源方案。
### 5 Ctrl+C +V（参考）
Arduino上的控制算法是原作者的LQR，无刷驱动为立创开源的EG2133方案。
Python的GUI是以SimpleFOC的SimpleFOCStudio为基础，添加wifi功能。
V1的充电电路是立创广场开源的CS5095充电方案。
V2的充电电路是在立创广场开源的《CN3300 4串电池组板》方案基础上改的3串锂电池
@ -65,30 +143,17 @@ PCB以及原理图技术支持——muyan
wifi效果以及按键面修复代码作者——muyan
1. 原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形[BV19v411n7mN](https://www.bilibili.com/video/BV19v411n7mN)
2. muyan 立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
2. muyan立创链接[https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1](https://oshwhub.com/muyan2020?tab=project&page=1)
3. muyan git链接[https://gitee.com/muyan3000](https://gitee.com/muyan3000)
4. EG2133驱动参考[https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc](https://oshwhub.com/acmetech-lceda/minifoc)
5. 灯哥开源FOC [https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller](https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller)
6. CS5095充电芯片电路[https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu](https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu)
7. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
8. Arduino-Esp32环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
6. CN3300 4串电池组板[https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy](https://oshwhub.com/583703056a/dian-chi-zu-ban_copy_copy)
7. Arduino环境提供者[https://github.com/kaliCYH](https://github.com/kaliCYH)
### 5 有用的地方
### 6 有用的地方
1. 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。
2. 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。
### 6 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。（已解决）（使用muyan的代码完美解决）
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。（V2的2715电机可以让摇摆平衡的成功率提高到80%）
### 7 交流Q群
45coll电子交流QQ群：**824113552**
欢迎交流与沟通