链接博客文档 https://blog.csdn.net/weixin_42487906/article/details/124898392

视频链接 https://www.bilibili.com/video/BV1Sv4y137FG/

github仓库，有代码，3D打印文件，pcb制板文件： https://github.com/FranHawk/simplefoc_balance_car

所有的电子元件材料都可以比较BOM在淘宝或立创上购买手表或工程原理图。以下是一些关键材料的链接

AS5600 L6234PD INA240A1：【淘宝】https://m.tb.cn/h.ft947n2?tk=gn3u2P8IocI「L6234PD L6234D L6234 HSOP 原装汽车IC 进口芯片畅销」点击链接直接打开 电机芯片 这家店买的货还算便宜 其他的电子元器件优信电子等都可以找到，财力充足的可以直接创造，省事。 2210云台电机(至少两个)【淘宝】https://m.tb.cn/h.fslSDE8?tk=G8Pk2P8HluO「清仓HJ2210-75T无刷云台电机狗3云台专用 航拍电机」点击链接直接打开 轮胎胎皮(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.ft9UFV4?tk=L8Ez2P8u1Ma「AXIAL 1比24车SCX24 90081小米吉姆尼用橡胶爬轮胎皮直径522mm」点击链接直接打开 电机支架(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.fsl86Kp?tk=i9Oo2P8FvxY「390电机支架 385固定座 365安装底座 380电机固定架 送螺母 点击链接直接打开 黑色亚克力板(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.fH9ybkd?tk=2OCV2P8vqAf「平衡小车DIY专用亚克力支架板扩展板」点击链接直接打开 电池 900mah【淘宝】https://m.tb.cn/h.fGk2f0O?tk=33dF2PjbvTN「航模电池5200mAh 11.1V足容高C7.4V车模船模 RC攀爬车质量保证」点击链接直接打开

其它机械零件

打开三个开源数据链接pcb项目在嘉立创投板生产，购买并焊接所有部件 主板

主板和红黑电源线按上图焊接XT30 公头插头

编码器板 编码器板没有组件，记得焊接上面的焊点，背面有一个as5600芯片要做两个 RGB灯板 焊灯没什么好说的。总共有两个

sh1.0 3P和4P的线 分别做两个连接RGB从板和编码器板到主板，接线前注意检查编码器板和主板的线顺序是否对应。如果我买了相反的，我需要自己改变顺序

制作两个电机部件 先将径向磁铁粘在电机轴上 使用编码板、电机支架和电机m2.5螺钉按上图组装，中间加一些垫片，防止相互摩擦，如下图所示 3D打印轮毂，放在电机上，然后放在胎皮上，3D打印文件在github里

3D用魔术贴和扎带打印固定板固定电池m3*5 铜柱和螺钉3D印刷固定板和主板组装 用两个电机部分和主板部分m3螺钉组装，电机线通过3.8mm 插头连接到主板，顺序随意。编码器板使用sh1.0 mm 4P第一层亚克力板上有四条线连接m3 20mm的铜柱，如下图 RGB灯板和第二层亚克力板粘在一起 连接RGB的线到主板，固定第一层和第二层亚克力板，完成组装

通过vscode+platformio来烧写程序 第一次烧写程序前，先找到hw_bldc.cpp里的hw_bldc_init()函数里 有这样几句

    motor_0.init();    motor_1.init();        motor_0.initFOC();    motor_1.initFOC();

第一次烧写时，initFOC里不需要有参数，上电后simplefoc会运行自检程序，检测电机旋转方向和电角度，会在串口中输出，通过串口得到参数后填入initFOC

	motor_0.init();    motor_1.init();        motor_0.initFOC(4.53, Direction::CW);    motor_1.initFOC(0.64, Direction::CCW);

如上，每个人的这两个参数都是不一样的，然后第二次烧写代码。之后每次启动就不会消耗时间自检了。

电路部分分为一个主板，两个编码器小板，两个RGB灯板

由主要功能可知，需要MCU具有蓝牙和WIFI功能，还需要足够的性能用于FOC算法，同时控制RGB。最近看到的esp32可以说正合适，esp32有320K RAM，4M ROM，两个core，一个核专门用来跑foc算法，另外一个核用来跑其他程序包括RGB控制，simplefoc官网上说esp32单次foc运算能有1ms，引脚也足够多，满足平衡控制的需求。

平衡控制需要通过传感器检测到小车自身的姿态，我采用最常见的MPU6050 6轴加速度计陀螺仪芯片 WIFI图传由主板通过2.54排母插接ESP-CAM模块实现

RGB采用WS1802B LED灯，MCU一个IO口就可以驱动一串RGB

其他一些接口和转串口芯片什么就不多介绍了，可以看我开源的电路工程了解

无刷电机平衡小车的理论部分需要了解

1.无刷电机磁场定向控制FOC算法 2.平衡车建模和控制算法

理论部分网上有很多资料，讲解也非常清楚易懂，珠玉在前，我引出一些比较好的文章，供想要深究的读者查看

FOC算法的内容比较多，初学者可以看下稚晖君这篇文章，比较通俗易懂

• 深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术

simplefoc官方文档的介绍也比较详细，还有源码讲解，代码中也用到了simplefoc的库，所以最好去官网文档了解一些simplefoc的使用方法 https://simplefoc.com/

其他比较好的文章

• BLDC电机控制算法——FOC简述
• foc学习笔记1——准备工作

• 平衡车建模部分首推 清华卓晴的平衡车参考方案 对平衡车的数学模型的建立有非常清晰的介绍，需要熟悉平衡车模型的可以多看几遍
• 平衡车平衡环和速度环pid的整定可以看这篇文章 平衡小车PID，就该这么调！！！

ESP32这款MCU有两个核心，我采用freertos来对两个核进行调度，整体软件框架基于arduino+freertos

Adafruit_NeoPixel 用于驱动RGB灯带 blinker-library点灯科技的蓝牙库，可以通过手机app和平衡车蓝牙通讯 MPU6050_lightMPU6050驱动库 Arduino-FOCsimplefoc的arduino支持库

0 core： task 0：simplefoc的电流环的运算、俯仰角数据读取的和电机电压的输出 1 core： task 1：平衡环和速度环pid运算 task 2：RGB闪烁和通过蓝牙接收手机的控制命令

这个任务的代码比较简单，loopFOC和move负责simplefoc电流环的运算和电压输出 mpu.update()读出MPU6050数据并返回俯仰角，俯仰角通过互补滤波结算得到就可以了 shaftVelocity返回电机速度，用于task 1速度环pid的运算

void task_motor_move(void *pvParameters){
         while (1)    {
             // iterative setting FOC phase voltage        motor_1.loopFOC();        motor_0.loopFOC();        // Serial.printf("d:%f,%f\n",motor_1.shaftVelocity(),motor_0.shaftVelocity());        motor_1.move(motor_output_left);        motor_0.move(motor_output_right);        // // iterative function setting the outter loop target        mpu.update();        speed_right = motor_0.shaftVelocity();        speed_left = motor_1.shaftVelocity();    }}

该任务主要是平衡环和速度环pid运算，用状态机的思维将平衡车状态分为STOP，RUNNING，PICKUP三个状态，这样做主要是为了避免平衡车被拿起时电机疯转。 开机时状态为STOP，把车扶正到平衡位置附近则进入RUNNING状态，当拿起倾斜角后过大，则进入PICKUP状态，逆时针旋转车体后进入STOP状态。 RUNNING状态运行平衡环，速度环和角度环。平衡环采用pd，速度环用pi，角度环仅用单p。

void task_control(void *pvParameters){
         while (1)    {
             angle_pitch = mpu.getAngleY();        // Serial.printf("d:%f\n",angle_pitch);        acc_Z = mpu.getAccZ();        if (running_state == STATE_STOP)        {
                 if (abs(angle_pitch - angle_pitch_offset) < 0.5)            {
                     running_state = STATE_RUNNING;            }        }        else if (running_state == STATE_RUNNING)        {
                 speed_average = (speed_right + speed_left) / 2;            if (abs(angle_pitch - angle_pitch_offset) > 50 )            {
                     speed_I_sum=0;//清空积分系数                running_state = STATE_PICKUP;            }            else            {
                     speed_target = translate_speed;                speed_error = speed_target - speed_average;                speed_I_sum+=(speed_error*speed_I);                if(speed_I_sum>15){
                         speed_I_sum = 15;                }                if(speed_I_sum<-15){
                          speed_I_sum = -15;                }                angle_target_pitch = speed_P * speed_error + speed_I_sum;                  motor_output_left = angle_P * ((angle_pitch - angle_pitch_offset) - angle_target_pitch) + angle_D * mpu.getGyroY()+rotate_speed; //+ angle_D * mpu.getGyroY()                motor_output_right = angle_P * ((angle_pitch - angle_pitch_offset) - angle_target_pitch) + angle_D * mpu.getGyroY()-rotate_speed;                angle_last_pitch = angle_pitch;            }        }        else if (running_state == STATE_PICKUP)        {
                 motor_output_left = 0;            motor_output_right = 0;            if (speed_right > 3.14 && speed_left < -3.14)            {
                     running_state = STATE_STOP;            }        }        vTaskDelay(1);    }}

task 2用于RGB效果显示，和接收手机blinker app通过蓝牙发送的数据。一般的RGB等效都有一个延时函数，普通的延时函数都是在原地死等，这样大大降低CPU效率，影响其他程序运行，这里我编写了一系列非阻塞式RGB灯效：在显示完灯效后不再原地延时，而是直接进行调度，切换到其他task。详细可看我代码。

void task_neopixel(void *pvParameters){
         uint32_t neopixel_pattern_previous = 0;    uint32_t neopixel_pattern_interval = 500;    uint32_t neopixel_pattern_number = 0;    while (1)    {
             // 效果切换        if((neopixel_count-neopixel_pattern_previous)>neopixel_pattern_interval){
                 neopixel_pattern_previous = neopixel_count;            neopixel_pattern_number++;            neopixel_state_clear(strip_1_handler);            neopixel_state_clear(strip_2_handler);            if(neopixel_pattern_number>4){
                     neopixel_pattern_number = 0;            }        }        switch(neopixel_pattern_number){
                 case 0:                neopixel_police_style_2(strip_2_handler,10,5);                neopixel_police_style_2(strip_1_handler,10,5);                break;            case 1:                neopixel_police_style_1(strip_2_handler,10,5);                neopixel_police_style_1(strip_1_handler,10,5);                break;            case 2:                neopixel_loop(strip_2_handler, 255, 255, 255, 4, 4);                neopixel_rainbow(strip_1_handler);                break;            case 3:                neopixel_bounce(strip_1_handler, 0, 255, 0, 2, 3, 0);                neopixel_fade_in_out(strip_2_handler, 255, 0, 255, 2, 1,25);                break;            case 4:                neopixel_spread_out(strip_2_handler, strip_2_handler.strip.Color(0,255,0), strip_2_handler.strip.Color(0,0,255), 4, 10);                neopixel_spread_out(strip_1_handler, strip_1_handler.strip.Color(255,0,0), strip_1_handler.strip.Color(255,255,0), 4, 10);                break;            default:                break;        }        neopixel_count++;#ifdef USE_BLINKER        Blinker.run();#endif        vTaskDelay(10);    }}