电动滑板增加测速功能

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诸葛小新 发布于 2015-04-27 21:56

作为一款智能滑板（尽管现在还一点也不智能），测速应该是必备的功能。
       在人群中飘过，常有人问“这玩意能跑多快啊？”，我只能根据电机的额定转速给出个模糊值，“时速大概。。。二三十公里吧”，听者将信将疑。如果能够精确测速，咱就不用含糊其辞了。此外，有了测速，可以像汽车一样增加里程计量等数据，测量电池续航能力。最后，滑板 APP的 控制模式有“定速巡航 ”和“手动油门 ”两种方式，不过这里的定速巡航并不是真正意义上的“定速”，只是固定油门，平地的话基本可以保持定速，越到上下坡，显然就不是定速了。如果想实现真正的PID定速控制，测速也是必须的。
       
       如果马达自带编码器，测速很好实现。这款马达不带此功能。首先想到的简单、低成本的方案就是用霍尔传感器。
       关于测速原理，可以参考《基于Arduino与LabVIEW的直流电机转速控制系统 》。我采用的是测频法，简单说就是计算固定周期T（秒）内由于旋转所产生的脉冲次数C。
       如果对非磁性物体测速，需要额外附加一块磁铁。对于电机来说，因为内置磁铁，可以直接测量。我用的电机每旋转一周会产生P=8次脉冲。这样，电机的转速就是： C/T/P  转/秒。有了电机的转速，再加上减速比、驱动轮直径，滑板的速度很容易计算了。
      公式里面C和P是固定的，计数周期T是在程序里面可以设定的，T决定了转速更新时间，比如T=1秒，每1秒钟，转速值才会更新一次，所以T不能太大。同时，T也不能太小，太小的话误差会比较大。尤其当转速较低的时候。初步设定T=0.2秒，效果如何有待进一步测试分析。
 

       霍尔传感器采用的是最便宜的KY-003 EYES 模块，三个接口分别是正电压V、接地G、信号S。由于需要使用信号产生的中断，S接在了Arduino的digital3端口，也就是1号中断。
void initHallSensor() {
  delay(1000);
  Timer1.initialize(200000);  // 0.2s cycle 
  Timer1.attachInterrupt( timerIsr );
  attachInterrupt(1, counter, RISING); // d2 pin for Hall interrupt.
  interrupts();
}

/*counter for Hall sensor, counts the pulse of motor*/
void counter() {
  counter_val[curCounter & 0x01] += 1;
}

       最后说一下需要注意的问题：
       1. 为了周期性测量霍尔传感器产生的中断数量，用到了定时器库TimerOne，而Arduino中的PWM也需要用到定时器，6个PWM输出脚当然也要用这些计时器，它们是这样分配的：
Pins 5 and 6: timer0
Pins 9 and 10: timer1
Pins 11 and 3: timer2
在使用定时器之前，pin 9连接电调的信号线，启用定时器之后，电调无法正常工作，信号线改接pin11，电调工作正常。
       
       2. 霍尔传感器中断的问题，困扰了我一天时间。按照上面的接线和代码，霍尔传感器在马达转过的时候会产生中断，用电脑的usb接口供电的时候，一切正常，但是当用电调对Arduino供电的时候，中断无效，完全没反应。最开始以为是电调信号线导致的问题，仔细检查代码，没有问题，断开电调的信号线，问题照旧。那么唯一不同的就是usb和电调供电的电压了，上电表测，usb电压5v，电调电压6v，难道是因为电调的电压过高导致的中断引脚电压无效？后来想到实际上是霍尔传感器的信号输出电压受到干扰，霍尔传感器我用的是Arduino 3.3v供电，可能是电压不足导致容易受到干扰。立马改成5v供电，烦恼解除了。

增加部分内容，兼回复动力兄留言。

    给驱动轮加磁铁是最先想到的方案，但是后来被否定了。
    原因1. 需要固定一块磁铁，还需要固定好霍尔传感器，两者之间的距离大概在5mm之内才有效。尽管磁铁可以很小，对动力毫无影响，​但还是额外增加了复杂性，如果以后想要更换新的驱动轮或者驱动轮规格发生了变化，会比较麻烦，也不利于美观。用软件工程的术语来讲，测速功能和驱动轮是耦合的。
    原因2. 驱动轮转速相对电机来说较低，测速不够精确。如果在驱动轮上只固定一个磁铁，也就是每转一周产生一次脉冲，当驱动轮转速为5转/秒（按照我用的5寸轮尺寸，滑板速度大约7km/h），脉冲频率为5次/秒，也就是200毫秒/次，假设脉冲计数周期为200毫秒，能够检测到1次脉冲，当驱动轮转速低于5转/秒，得到的速度就都是0。如果增大计数周期，速度更新周期也相应变大，实时性变差。
    如果增加磁铁数量，又回到原因1了。

    归纳起来，转速为R(转/秒)，每转产生的脉冲次数为 C(次/转)， 脉冲计数周期为T，则脉冲频率为RC(次/秒)，也就是 1/RC(秒/次)，如果要保证能够测量到每次脉冲，必须有T>1/RC。假设我们需要测量的最低转速是1(转/秒)，即R=1，就有 T>1/C。 如果转速更新周期T是0.2秒，则C>5；如果每转只产生一次脉冲（C=1，也就是只有一个磁铁），T>1，这样的话速度更新周期过长了。​

    其实电机里面每个线圈就是一个磁铁，c5065每转会产生8次脉冲，所以目前的方案是霍尔传感器直接测量电机转动产生的脉冲。

 
blcakblue2016-01-13 18:32:10
小新老师不好意思打个广告

1550出售一个做好不到一个月的单驱滑板，最高速度30，最远续航20.用的是动力老男孩的遥控。要的私聊1055251363
疯子2015-09-17 11:13:20
诸葛老师， 你的霍尔传感器的接线原理图能show下吗？不知道怎么接呢，是否要加入电阻电容之类的
诸葛小新2015-09-17 18:57:25
我用的是Arduino 模块，不需要再加电阻了，直接和Arduino连接就可以了，线路很简单，正负极、信号读取三根，你应该会接吧。
疯子2015-09-21 14:38:41
回复 诸葛小新 : 会的，我是在想需不需要滤波之类的。我的5065电机每圈产生7个脉冲（两个电机多次测试证实），跟你的8个有点区别。
诸葛小新2015-09-22 10:42:37
回复 疯子 : 滤波的话我觉得不是很有必要，除非想做PID，精确控制速度。
马昌聪2015-08-26 16:19:37
我让电机匀速转动，霍尔传感器检测的速度不怎么稳定？怎么改进？谢谢
诸葛小新2015-08-26 20:06:54
你的意思是：向电调输出固定值，让电机保持匀速转动？
有两种可能，一种是电机确实没有保持匀速，比如收到阻力变化，但是如果空转、输出信号稳定的话，电机应该能够保持匀速。
另外一种可能就是传感器测速频率的问题，但是不知道你的不稳定是什么样的，周期性地跳动？还是无规律地变化。这种不稳定是否受转速影响？还有电机产生的脉冲怎么测的？  但根本问题还是测速频率的问题，具体关系我在上文的补充内容部分已经说明了。 你可以尝试修改测速频率，多观察一下。
马昌聪2015-08-27 16:31:07
回复 诸葛小新 : 我让电机空转，给相同的信号，两次测试的转速不一致，但是每一次的测速基本是稳定的。

还有，我用手转动电机一周，然后用霍尔元件去检测脉冲个数，每次检测到的脉冲个数都基本不同，这个可能是什么的影响？我猜测是电机的抖动造成的，但不知道如何去滤除这种抖动。
诸葛小新2015-08-27 20:12:20
回复 马昌聪 :
我觉得电机抖动的问题应该不大，还是测速的问题。
转动一周脉冲个数不一样？ 那测速肯定不稳定啊。 你是测量电机内部磁铁的脉冲么？ 一周产生几次脉冲？脉冲计数周期是多少？  相同的计数周期，转速越慢、误差越大。用手转速度肯定不稳定、而且速度也很慢，之所以每次到的不同的脉冲个数，可能技术周期比较大，有些脉冲被漏掉了。不存在电机抖动的问题吧，不知道你所说的“抖动”具体指什么。
莫克丁2015-06-02 11:43:34
我现在在用你这个方法，试卷控制两个轮子的转速保持一致（我用的是双驱动方案）
David2015-06-17 08:58:59
你的双驱方案成功了吗？
莫克丁2015-06-19 17:15:03
回复 David : 电机和驱动件买的现成的（电机两个N5056  80A 电调），现在在写两个轮子的驱动方法，也是借鉴各位大侠们的。（近段时间公司老加班，等有空了再弄了）
诸葛小新2015-08-26 20:14:53
精确同步的话得用PID吧？这种测速方法我觉得精度未必够。
其实我个人觉得没必要搞精确同步，只要两个马达的控制信号一致就可以了。
你需要同步的目地是希望直线运动？但是滑板的方向主要是靠我们站在上面移动重心来控制的，误差完全超过电机的同步了。即使电机能够精确同步，我们也很难让滑板精确地走直线，也没有必要。
动力老男孩2015-04-28 02:13:57
晕，想着飞行器的事情，晕了…
滑板的转速固定个磁铁完全无压力 ：）
动力老男孩2015-04-27 23:15:08
轮子上加了磁铁？会不会导致不平衡呢？
诸葛小新2015-04-28 08:36:33
回复见文内
动力老男孩2015-04-28 08:49:18
回复 诸葛小新 : 看到了，原来如此！

作者

诸葛小新

辽宁，大连

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