本项目ID是来源于苏黎世联邦理工学院的Cubli,电机驱动使用的是Simple FOC。低成本、小型化、简化后作为我的首个开源项目
项目完全开源,任何人都可以根据本Github内容自行白嫖,当然也可以顺手点个Star
本项目在原版Cubli的基础上去掉主动刹车,缩小体积和一定的简化。需要手动调整到平衡点附近,才可以实现边和点平衡。Cubli_Mini是一个101010CM的立方体,集电机驱动、充放电一体化。满电状态下,点平衡在无扰动下续航≥5小时。
项目成本:≤800RMB
视频介绍:https://www.bilibili.com/video/BV1UR4y1c74B?spm_id_from=333.999.0.0
- 3D模型设计源文件
- 主控模块、IMU模块、编码器模块、下载模块硬件工程
- 主控1、主控2软件工程
- 主控模块使用两颗ESP32
- 网络调试助手
- WIFI调参使用
- 各类文档说明
- 对项目的一些说明,如调参,按键操作,控制原理等
- 打样文件
- STL格式3D打印文件
- DWG格式钣金文件
- BOM表
- 结构BOM表
- PCB元器件BOM表
由于我只学了一周的SW,因此有些零件会漏画一些内容,如螺丝螺纹,铜柱内螺纹啥的
外框等钣金件采用的是成本较低的玻纤板,在保证刚性的情况下降低成本。动量轮采用的是304不锈钢,可以在小体积下提供较大的转动惯量。辅以少量3D打印件组成。连接件为了美观使用的是阳极氧化铝柱,当然也可以自行使用成本更低的铜柱。整体结构件成本为350块以内,铝柱更换铜柱可以降低到290以内
注意事项:
- Cubli_Mini的八个角点,是由两种不同的角组成,名字为角1和角2,各4个
- 外框和角的连接处的结构不是45°对称,所以是有安装方向的,详情看DoC/结构和安装说明
主控模块:
- 主控模块集成了3个电机驱动电路,电池充放电路,降压稳压电路,CAN通讯电路
- 由于单颗ESP32只有6路电机PWM,因此使用了两颗ESP32模块,使用了CAN作为MCU间的通讯方式,由于两颗ESP32都是集成在同一个主板上,因此为了节省IC成本,可以把CAN修改为IIC,UART,SPI等各类短路径通讯方式,但是需要修改主控软硬件,有想法的同学可以自行修改
- 电机驱动电路参考Simple FOC开源电路,Simple FOC链接:https://github.com/simplefoc。电池充放电参考:https://oshwhub.com/qqj1228/zi-ping-heng-di-lai-luo-san-jiao_10-10-ban-ben
IMU模块:
- 使用最为常见的MPU6050
- 为了防止应力,对IMU所在区域挖槽,减少安装应力。但使用了3颗螺丝硬连接,并不能避免应力问题,改进方案为使用软垫片并只拧紧一个螺丝进一步减少应力
- 由于IMU安装要求比较高,因此在贴片时,尽量保证MPU6050与PCB平行,且位于焊盘正**
编码器模块:
- 采用的是成本较低的AS5600,在低速情况下便宜好用
自动下载模块:
- 为了尽量减少主控的面积,因此单独把自动下载电路摘出来,参考官方自动下载电路
注意事项:
- 正常情况下,自动下载模块焊接排针,主控不焊接任何排针/排母
Cubli_Mini的核心内容为Simple FOC电机驱动库以及点平衡控制算法,运行在MCU1中。MCU2只是使用了Simple FOC库对电机2和电机3的控制,利用CAN反馈和接收控制命令。
MCU1固件说明:
- bsp:基于arduino库封装了一下LED,KEY,ADC,非易失储存等内容
- comm:公用类,目前只封装了一个时间类,获取时间差,非延时等待等简单内容
- control:核心库,内容为平衡算法和调参接口,调参参考Simple FOC格式。为方便使用,使用的是字符串,不使用传统的16进制协议
- main:main文件,驱动的初始化和FreeRTOS任务创建
- ESP32官方把WIFI,蓝牙类运行在Core0。因此在创建任务中,把WIFI任务创建在Core0中,其他则创建在Core1。只有运行于不同核心任务的数据交互我才加了互斥锁。
注意事项:
- 目前WIFI SSID和PSW,TCP Server IP Port全部是写死在固件里面,因此要想使用WIFI调参需要修改这些内容,详情请看Doc/使用和调参说明
考虑到很多同学可能是第一次进行结构打样,因此提供了打样文件
3D打印:
- 文件位于:/6.Process/3D打印,该文件为STL格式,打样数量请查看同目录下的<3D打印加工说明>,可以在未来工厂或者嘉立创打样,首选光固化
- 文件名称使用的是料号,料号方便管理,尾号没有.X都代表为第一版
钣金件打样:
- 文件位于:/6.Process/钣金件,每个物料的都有对应的PDF和DWG文件,PDF文件方便查看,DWG文件用于激光切割/板材加工。打样数量请查看同目录下的<钣金加工说明>,可以找淘宝给图纸直接加工。由于加工精度要求不高,个人用途下,公差全看加工厂的心情
- 也可以直接找到对应的step文件给淘宝加工
PCB打样:
- 从硬件工程拿着PCB文件出门左转嘉立创白嫖
BOM表:
- 文件位于:/6.Process/BOM
- 结构BOM表,里面列有需要购买的结构物料和链接
- PCB BOM表,里面列有需要购买的元器件物料,也可以自行找到AD工程导出
- 注意事项:
- PCB BOM表是从AD源文件导出,工程会有重复用料,需要注意
- DRV8313、ESP32、AS5600、IMU可以去淘宝购买,其他右转立创商城BOM表下单。
- 注意贴片型铝电解电容的封装,主控板有限高区域,限高高度为8mm
- 如文件有遗漏的地方望提醒
写给小白的白嫖教程:
- 文件位于:/Doc/写给小白的白嫖教程.pdf,手把手教你如何完成本项目的白嫖
Cubli_Mini使用的是LQR来进行控制,也可以使用串级PID来进行控制。代码位于/需要修改/MCU1/control/cubli_mini
边平衡:
- 可以参考一阶倒立摆进行建模和求解参数。由于建立模型的参数比较难准确的获得,我求解得到的参数和最佳参数有些许出入。因此本项目大多数使用玄学调参工程师来整定参数
点平衡:
- 在边平衡的基础上添加对X,Z轴的控制。采用与边平衡一样的控制方法,详情看Doc/控制原理说明。
研究型:
- 请查看原版Cubli的论文
调节方法:
- 可以使用UART和WIFI进行调参,WIFI需要连接到路由器,Cubli_Mini为TCP客户端
调节命令:
- 详情命令请查看Doc/调参命令说明