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自平衡莱洛三角形可充电版

介绍

在B站“基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形”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

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左：使用灯哥开源FOC2.0板测试

中：13*13cm立创紫PCB

右：10*10cm最终版本

1 软件架构

在原作者的自平衡控制电压算法上进行修改，将电压控制改为速度控制。使对模型的控制在物理上更加容易理解。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
  • 控制模式丰富：电压控制和速度控制

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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
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CS5095 5V输入,最大1.2A充电电流
串口芯片CH340C 需要打开开关才能下载
主控芯片 ESP-WROOM-32
电机驱动芯片L6234PD 引脚:32, 33, 25, 22; 22为enable
AS5600 编码器 SDA-23 SCL-5
MPU6050六轴传感器 SDA-19 SCL-18

3 使用说明

  1. 前往灯哥开源FOCgit下载Arduino开发环境（也可自行下载Arduino并安装SimpleFOC）并打开本项目内的Arduino内的main，烧录程序到ESP32。

  2. 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。

  3. 第一次打开的话还请先输入一些初始值到eeprom中：

参数命令 说明
TA89.3 角度
SV1.8 摇摆电压
SA20 摇摆角度
VI120 平衡前FOC速度环的I为20
VP10.5 平衡前FOC速度环的P为0.5
VI210 平衡后FOC速度环的I为10
VP20.2 平衡后FOC速度环的P为0.2

调参

  1. K值可以用滑块调整，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

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
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
K11 1和2是电压控制时参数。LQR的参数1*角度差值
K12 1和2是电压控制时参数。LQR的参数2*左右倾倒加速度
K13 1和2是电压控制时参数，3和4是速度控制时参数。LQR的参数3*当前速度

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

感谢嘉立创的PCB制板，使DIY电路制作变得非常便利

莱洛三角形PCB

动量轮

具体需要购买的物品在物料清单.xlsx中

5 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。

Python的GUI是SimpleFOC的SimpleFOCStudio。

充电电路是立创广场开源的CS5095充电方案。

  1. 原作者：基于LQR控制器的自平衡莱洛三角形BV19v411n7mN
  2. 灯哥开源FOC https://gitee.com/ream_d/Deng-s-foc-controller
  3. 充电芯片电路https://oshwhub.com/Aknice/cs5095e-san-jie-li-dian-chi-sheng-ya-chong-dian-dian-lu

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。