【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
本帖最后由 驴友花雕 于 2025-6-7 06:31 编辑【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
BaBot 是一款紧凑型开源机器人，它使用红外 (IR) 传感器和 ATmega32U4 微控制器实时平衡球体，将控制理论变为现实。无论您是学生、教育工作者还是业余爱好者，BaBot 都能为您提供一种探索 PID 控制、传感器集成和机器人技术的有趣方式。BaBot 始于 2018 年的一个高中项目，最初使用电脑和高架摄像头来追踪球。经过多次迭代，包括使用树莓派在透明板下方安装摄像头的版本，我开发出了一种更高效的设计。当前版本采用红外传感器和 ATmega32U4 微控制器，打造出一款更紧凑、更经济、更易于使用的机器人。
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
材料：1x 亚克力板（用于平台）2mm PMMA
16个红外光电晶体管
16 个广角红外 LED
1x 定制 PCB（可通过 PCBWay 获取）
1个ATmega32U4微控制器
1x CD74HC4067 16通道模拟/数字多路复用器
1个5V 10A直流电源
3个MG90微型伺服器
工具：
激光切割机（用于亚克力部件）
3D打印机
软件：
Arduino IDE 2.0
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
本帖最后由 驴友花雕 于 2025-5-27 15:46 编辑步骤 1：订购 PCB
订购您的 PCB
为了使事情变得更容易和更可靠，我强烈建议订购预先组装的 PCB，特别是因为它们包含许多 SMD 组件。
您可以直接从PCBWay订购组装好的 PCB 。
或者，如果您想要最流畅的体验，您可以从ba-bot.com购买完整的 BaBot 套件（包含所有组件） 。这样，您就省去了采购单个零件的麻烦，可以全身心地投入到构建和享受机器人的乐趣中。
附件
下载 {{ file.name }}原理图_iNWgbALrz5.pdf下载
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
步骤2：3D打印零件BaBot 的所有结构部件均可 3D 打印。请务必使用精度高的打印机，尤其是与伺服器直接连接的部件。所有部件均可在Thingiverse 上找到。
附件
下载 {{ file.name }}所有.stl下载3D视图
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
步骤 3：组装机械臂和伺服装置组装机械臂和伺服器
3D 打印部件准备就绪后，首先组装三个臂并将它们连接到 MG90S 伺服器上。
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步骤4：组装底座接下来，将伺服臂安装到底座上。该结构作为 BaBot 的基础，支撑电子设备并控制平衡机制。
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步骤5：安装顶板现在将顶部丙烯酸板连接到第二个 PCB。
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步骤6：上传代码上传代码
使用 Arduino IDE 将固件上传到 PCB 上的 ATmega32U4 微控制器。代码是开源的，可在GitHub页面上获取。代码已添加注释，以帮助您理解其工作原理。项目最终完成后，我们将在 ba-bot.com 上发布更详细的说明。
#include <math.h>
// ---- PID Coefficients ----
const float P_GAIN = 2.0;
const float I_GAIN = 0.1;
const float D_GAIN = 30.0;
// ---- Smoothing Factors ----
const float EMA_ALPHA = 0.9; // Exponential moving average
const float IR_ALPHA= 0.5; // IR signal low-pass filter
// ---- Mechanical Constants ----
const float DEG2RAD= M_PI / 180.0;
const float RAD2DEG= 180.0 / M_PI;
const float R1 = 50.0; // Servo arm length
const float R2 = 39.2; // Passive link length
const float BASE_R = 32.9 / sqrt(3.0); // Base triangle radius
const float PLAT_R = 107.9 / sqrt(3.0); // Platform triangle radius
// ---- Pin Assignments ----
// Control
const int BUTTON_PIN = A1;
const int LED_PIN = 8;
// IR Sensor
const int IR_LED_PIN = 7;
const int IR_RECEIVER_PIN= A0;
// Digital Potentiometer (MCP42xx)
const int DIGIPOT_CS = 4;
const int DIGIPOT_DIN = 1;
const int DIGIPOT_SCLK = 0;
// Servo pins
const int SERVO_PIN_A = 10;
const int SERVO_PIN_B = 9;
const int SERVO_PIN_C = 11;
// Button press timings
const unsigned long SHORT_PRESS_TIME= 50;
const unsigned long LONG_PRESS_TIME = 1000;
const unsigned long DOUBLE_PRESS_TIME = 350;
// ---- Globals ----
// IR measurements and center tracking
int ambientLight = {0};
int irLight = {0};
float irSignal = {0.0};
float centerX = 0.0;
float centerY = 0.0;
float setpointX = 0.0;
float setpointY = 0.0;
// PID state
float lastErrorX = 0.0;
float lastErrorY = 0.0;
float integralX = 0.0;
float integralY = 0.0;
// Ball tracking
bool ballWasOnPlate= false;
unsigned long ballLostTime = 0;
// Button state
bool buttonPressed = false;
unsigned long pressStart = 0;
unsigned long lastPress= 0;
bool singlePressFlag = false;
// Trajectory
float trajectoryAngle = 0.0;
// ---- Objects ----
CD74HC4067 mux(5, 13, 6, 12);// S0,S1 -> 13, S2->6, S3->12
Servo servoA, servoB, servoC;
// ---- Kalman Filter Definition ----
struct KalmanFilter {
float x = 0, v = 0, p = 1;
const float q = 0.3, r = 1.0;
void update(float z, float dt) {
// Prediction
x += v * dt;
p += q;
// Correction
float k = p / (p + r);
v+= k * ((z - x) / dt);
x+= k * (z - x);
p *= (1 - k);
}
};
KalmanFilter kfX, kfY;
// ---- Function Prototypes ----
void blinkLED(unsigned long interval);
void measureIR();
void setDigitalPot(byte value);
bool ballOnPlate();
void computeCenter(float rawX, float rawY);
void pidControl(float input, float setpoint, float &lastError, float &integral, float &output);
void movePlatform(float rollDeg, float pitchDeg, float height);
void moveServos(float a, float b, float c);
void checkButton();
void calculateWeightedCenter(const float ir[], float &x, float &y);
void sendSerialData();
void setTrajectory(float radius, float speed);
// ---- Arduino Setup ----
void setup() {
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
pinMode(IR_LED_PIN, OUTPUT);
pinMode(DIGIPOT_CS, OUTPUT);
pinMode(DIGIPOT_DIN, OUTPUT);
pinMode(DIGIPOT_SCLK, OUTPUT);
digitalWrite(DIGIPOT_CS, HIGH);
servoA.attach(SERVO_PIN_A);
servoB.attach(SERVO_PIN_B);
servoC.attach(SERVO_PIN_C);
// Initialize platform to neutral
movePlatform(0, -20, 60);
delay(1000);
Serial.begin(115200);
}
// ---- Main Loop ----
void loop() {
static unsigned long lastTime = 0;
unsigned long now = millis();
float dt = (now - lastTime) / 1000.0;
blinkLED(300);
setDigitalPot(255);
measureIR();
checkButton();
sendSerialData();
if (ballOnPlate()) {
ballWasOnPlate = true;
ballLostTime = now;
// Raw center calculation
float rawX, rawY;
calculateWeightedCenter(irSignal, rawX, rawY);
// Kalman & EMA filters
kfX.update(rawX, dt);
kfY.update(rawY, dt);
centerX = EMA_ALPHA * rawX + (1 - EMA_ALPHA) * kfX.x;
centerY = EMA_ALPHA * rawY + (1 - EMA_ALPHA) * kfY.x;
// PID
float outputX, outputY;
pidControl(centerX, setpointX, lastErrorX, integralX, outputX);
pidControl(centerY, setpointY, lastErrorY, integralY, outputY);
movePlatform(outputX, outputY, 60);
}
else {
if (ballWasOnPlate && now - ballLostTime < 1000) {
// hold last
movePlatform(0, 0, 60);
} else {
ballWasOnPlate = false;
integralX = integralY = 0;
lastErrorX = lastErrorY = 0;
setpointX = setpointY = 0;
movePlatform(0, -20, 60);
}
}
lastTime = now;
}
// ---- Utility Functions ----
void blinkLED(unsigned long interval) {
static unsigned long lastToggle = 0;
if (millis() - lastToggle >= interval) {
digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
lastToggle = millis();
}
}
void setDigitalPot(byte val) {
digitalWrite(DIGIPOT_CS, LOW);
for (int i = 7; i >= 0; --i) {
digitalWrite(DIGIPOT_DIN, (val & (1 << i)) ? HIGH : LOW);
digitalWrite(DIGIPOT_SCLK, LOW);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(DIGIPOT_SCLK, HIGH);
delayMicroseconds(10);
}
digitalWrite(DIGIPOT_CS, HIGH);
}
void measureIR() {
// Ambient
digitalWrite(IR_LED_PIN, LOW);
delay(1);
for (int i = 0; i < 16; i++) {
mux.channel(i);
delayMicroseconds(250);
ambientLight = analogRead(IR_RECEIVER_PIN);
}
// IR On
digitalWrite(IR_LED_PIN, HIGH);
delay(5);
for (int i = 0; i < 16; i++) {
mux.channel(i);
delayMicroseconds(250);
irLight = analogRead(IR_RECEIVER_PIN);
}
// Compute signal
for (int i = 0; i < 16; i++) {
float delta = irLight - ambientLight;
irSignal = IR_ALPHA * delta + (1 - IR_ALPHA) * irSignal;
}
}
bool ballOnPlate() {
long sum = 0;
int maxVal = irSignal;
for (int i = 0; i < 16; i++) {
sum += irSignal;
maxVal = max(maxVal, int(irSignal));
}
float avg = sum / 16.0;
return maxVal > 1.5 * avg;
}
void pidControl(float input, float target, float &lastErr, float &integ, float &out) {
float error = target - input;
integ += I_GAIN * error;
float deriv = D_GAIN * (error - lastErr);
out = P_GAIN * error + integ + deriv;
lastErr = error;
}
void movePlatform(float rollDeg, float pitchDeg, float height) {
float roll= -rollDeg * DEG2RAD;
float pitch = -pitchDeg * DEG2RAD;
float baseAngle = {0, 120 * DEG2RAD, 240 * DEG2RAD};
float platX, platY, platZ, angles;
// Transform platform points
for (int i = 0; i < 3; i++) {
float a = baseAngle;
float px = PLAT_R * cos(a);
float py = PLAT_R * sin(a);
float pz = height;
// Pitch
float x1 = px * cos(pitch) + pz * sin(pitch);
float z1 = -px * sin(pitch) + pz * cos(pitch);
// Roll
float y1 = py * cos(roll) - z1 * sin(roll);
float z2 = py * sin(roll) + z1 * cos(roll);
platX = x1; platY = y1; platZ = z2;
}
// Calculate servo angles
for (int i = 0; i < 3; i++) {
float a = baseAngle;
float bx = BASE_R * cos(a);
float by = BASE_R * sin(a);
float dx = platX - bx;
float dy = platY - by;
float dz = platZ;
float dxl = dx * cos(a) + dy * sin(a);
float dyl = dz;
float d = sqrt(dxl*dxl + dyl*dyl);
float theta = atan2(dyl, dxl) - acos(constrain((R1*R1 + d*d - R2*R2)/(2*R1*d), -1, 1));
angles = theta * RAD2DEG;
}
moveServos(angles, angles, angles);
}
void moveServos(float a, float b, float c) {
a = constrain(a, -10, 65);
b = constrain(b, -10, 65);
c = constrain(c, -10, 65);
servoA.write(100 - a);
servoB.write(100 - b);
servoC.write(100 - c);
}
void calculateWeightedCenter(const float arr[], float &x, float &y) {
// If insufficient contrast, return (0,0)
float minV = arr, maxV = arr;
for (int i = 1; i < 16; i++) {
minV = min(minV, arr);
maxV = max(maxV, arr);
}
if (maxV - minV < 150) { x = y = 0; return; }
const float coordsX = {0,1,2,3, 0,1,2,3, 0,1,2,3, 0,1,2,3};
const float coordsY = {0,0,0,0, 1,1,1,1, 2,2,2,2, 3,3,3,3};
float sumW=0, wx=0, wy=0;
for (int i = 0; i < 16; i++) {
float norm = pow((arr - minV)/(maxV - minV), 4);
wx += coordsX * norm;
wy += coordsY * norm;
sumW += norm;
}
x = wx/sumW - 1.5;
y = wy/sumW - 1.5;
}
void checkButton() {
bool state = digitalRead(BUTTON_PIN);
unsigned long now = millis();
static bool lastState = LOW;
if (state && !lastState) {
pressStart = now;
buttonPressed = true;
}
if (buttonPressed && state && (now - pressStart > LONG_PRESS_TIME)) {
Serial.println("Long Press Detected");
buttonPressed = false;
}
if (buttonPressed && !state) {
unsigned long dur = now - pressStart;
if (dur >= SHORT_PRESS_TIME && dur < LONG_PRESS_TIME) {
if (now - lastPress < DOUBLE_PRESS_TIME) {
Serial.println("Double Press Detected");
singlePressFlag = false;
} else {
singlePressFlag = true;
}
lastPress = now;
}
buttonPressed = false;
}
if (singlePressFlag && now - lastPress > DOUBLE_PRESS_TIME) {
Serial.println("Single Press Detected");
singlePressFlag = false;
}
lastState = state;
}
void sendSerialData() {
for (int i = 0; i < 16; i++) {
Serial.print(irSignal);
Serial.print(',');
}
Serial.print(centerX); Serial.print(',');
Serial.print(centerY); Serial.print(',');
Serial.print(setpointX); Serial.print(',');
Serial.println(setpointY);
}
void setTrajectory(float radius, float speed) {
unsigned long now = millis();
static unsigned long lastT = 0;
float dt = (now - lastT)/2000.0;
trajectoryAngle += speed * dt;
setpointX = radius * cos(trajectoryAngle);
setpointY = radius * sin(trajectoryAngle);
lastT = now;
}
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
步骤7：工作原理当你将球放在 BaBot 的透明板上时，会发生一系列事件：
红外探测：板下方是一块二级印刷电路板，内嵌多个红外 (IR) LED 和红外光电晶体管。这些红外 LED 向上发射光线，光线经球体底部反射后被光电晶体管捕获。这种设置使 BaBot 能够实时准确地确定球体在板上的位置。
数据处理：辅助 PCB 收集的位置数据传输到主 PCB，主 PCB 内置一个 ATmega32U4 微控制器，类似于 Arduino Leonardo 中的微控制器。该微控制器使用 PID（比例-积分-微分）算法处理数据。PID 算法计算球的当前位置与目标位置（通常是板的中心）之间的差值。
计算板倾斜度：为了校正球的位置，BaBot 必须适当倾斜板。这需要求解逆运动学方程，以确定三个伺服电机达到所需倾斜度所需的精确角度。
驱动运动：计算出的角度被发送到伺服电机，每个电机连接到铰接臂，铰接臂末端是金属球。这些金属球充当关节，并通过磁力吸附在板的底面上，从而实现平稳灵敏的运动。
持续反馈回路：调整板面方向后，系统会重新测量球的位置，并重复此过程。该反馈回路每秒运行约30次，确保球在板上保持平衡。
传感器、控制算法和机械部件的无缝集成使BaBot能够实时保持球平衡，从而提供机器人和控制系统的引人入胜的演示。
【Arduino 动手做】BaBot：打造你自己的球平衡机器人
本帖最后由 驴友花雕 于 2025-6-7 06:32 编辑步骤8：在哪里获取你的BaBot？
哪里可以买到你的 BaBot？
BaBot提供构建和理解实时控制系统的实践经验。其开源设计鼓励实验和学习，使其成为初学者和经验丰富的创客的理想项目。
对于那些有兴趣进一步探索 BaBot 或获取套件的人，请访问ba-bot.com了解更多信息。
无论您是寻求引人入胜的课堂项目的老师，还是渴望深入研究机器人技术的学生，或者仅仅是欣赏创新小工具的人，BaBot 都旨在吸引和教育您。
无需任何经验，只需有好奇心和创造非凡事物的热情。
项目链接：https://www.ba-bot.com/
https://www.instructables.com/Ba ... ll-Balancing-Robot/
项目作者：瑞士 约翰·林克
项目视频：https://www.bilibili.com/video/B ... a9be994cbb4a86cc987
原理图：https://content.instructables.co ... FZKJW2BMAL3FTM5.pdf
3D文件：https://www.thingiverse.com/thing:7021268
项目代码：https://github.com/JohanLink/BABOT
项目动图：
https://cdn.thingiverse.com/asse ... .com-optimize_2.gif
https://cdn.thingiverse.com/asse ... if.com-optimize.gif
https://www.bilibili.com/video/BV1V3j9zYEcj/?share_source=copy_web&vd_source=371a292a55e5ca9be994cbb4a86cc987
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