[平衡小车]基于stm32Hal库编写的平衡小车全过程记录及心得 |
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[平衡小车]基于stm32Hal库编写的平衡小车全过程记录及心得
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零、前言
这是我的第一个全栈工程。
“平衡小车”这个想法源于去年暑假电赛的备赛期间，到了刚刚结束的寒假，终于有时间去做了，我一开始规划从零开始在一周内完成，但是遇到的困难与挑战远超预期，中间走了非常多的弯路，最后前前后后用了将近两个月的时间（现在来看，如果一切顺利+熟练，在一周内完成也不是问题）。 在做工程的过程中，吃了太多的苦，掉了太多的坑，感觉把所有的坎都走了一遍。但也正因如此，现在的成果才弥足珍贵，感谢坚持下来的自己。 一、概述 （一）演示【平衡小车】基于stm32HAL库编程的全栈开发平衡小车 （二）结构项目可分为“硬件”、“软件”两大部分： 硬件部分包括画原理图、画pcb板、购买硬件、组装焊接 软件部分包括stm32初始化、获取传感器参数、pid调试（也是最令人头疼、最费时间的部分） （三）踩过的坑（血泪史）1.型号错误，一开始用的陀螺仪和6050长的很像，但是dmp解算函数不一样。代价：四天 2.多买易损件！！！小车震荡没有及时关闭，一共烧毁两块电机驱动，并且在万用表排插问题的时候，顺便把主控短路了。代价：20天的快递时间（第一块电机驱动在春节前5天买的，结果初九才送到，麻了），以及很多钱/(ㄒoㄒ)/~~ 3.PID极性，一定要先解决极性问题！代价：一个下午。 4.小车应该放在桌子上启动，而不是放在架子上启动，再拿下来。代价：三天。 5.在调节速度环时，应该给小车足够的地方运动，其实我的小车在今天早上就平衡了，但是一直因为距离太短，我没有认为已经初步平衡了。代价：一天 6.串口的波特率一定要足够，实测115200波特率在10ms内打印四个.3f浮点数不成问题，而9600波特率只能1s传几个数据。代价：很不方便 7.最好买一个usb拓展坞，我的电脑只剩一个usb接口，很不方便。代价：很不方便 ...... 二、硬件 （一）原理图用嘉立创专业版画的图，方便下单，最主要的是能白嫖打板【doge】。 第一次画板还不太熟，忘记加指示灯啥的了，也没有加电容滤波，但目前看来没啥事。
可以私聊我购买成品，我有现成的富裕板子。 
正面
反面
（三）硬件选购
主控：stm32f103c8t6 便宜+资源多 陀螺仪：mpu6050 资源多 电机驱动：tb6612 发热小 强烈建议多买几块！！！ 稳压模块：XL2596 12v-5v 电池：12v 屏幕：0.96英寸 电机：带霍尔编码器，型号忘了 蓝牙模块：HC05 其他：底座（建议买两套）、排母、排针、端子、开关... 三、软件调用及初始化见完整工程，此处只写pid部分的内容。 （一）编码器读取编码器的瞬时值，再立刻清零，此时数值即可当作轮子的瞬时速度。 encoder_L=-(short)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim4,0); encoder_R=(short)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,0); （二）直立环直立环是使小车平衡最核心的部分，但是只有直立环，做不到平衡，在理想情况下，会一直向一个方向倒去。 直立环的输入是平衡方向的角度和角加速度，输出是pwm值。直立环采用PI控制，Kp是比例系数，用于宏观上的调整，但是会产生震荡；Ki是微分系数，用于超前预测，能够修正超调现象，从而稳定Kp造成的震荡。 极性：分别调节Kp和Ki（此时另一个为0），若轮子转动方向与倾倒方向一致，则正确。 大小：单独调节Kp，逐渐增大，当小车出现大幅低频震荡时，立刻关闭电机，记录此时数据为Kp_max。单独调节Kp，逐渐增大，当小车出现小幅高频震荡时，立刻关闭电机（建议不要超过2s，我烧了两块电机驱动才知道），记录此时数据为Ki_max。此时，直立环Kp=0.6*Kp_max，Ki=0.6*Ki_max。运用此时的数据，小车应不出现抖动，并且会向一个方向倾倒。 定义PID结构体 struct pid{ float Kp; float Ki; float Kd; float val; float val_last; float val_err;//与期望差值 float val_err_last; float val_delta;//与上一次差值 float val_sum; float val_exp; float result; };直立环PI控制代码 float Vertical_PID(float roll,short gx) { Vertical.Kp=14;//需根据自己的代码修改 Vertical.Kd=0.055;//需根据自己的代码修改 Vertical.val_exp=2.5;//机械中值，即小车在未上电情况下的平衡位置，与硬件结构有关 Vertical.val=roll; Vertical.val_delta=-(float)gx; Vertical.val_err=Vertical.val_exp-Vertical.val; Vertical.result=Vertical.Kp * Vertical.val_err + Vertical.Kd * Vertical.val_delta; Vertical.val_last=Vertical.val; return Vertical.result; } （三）速度环小车若想真正实现平衡，还需要速度环的配合。速度环的作用是使小车保持一个恒定的速度，此时的理想速度即为0。 速度环的输入为两编码器的速度，这里利用读取编码器cnt值再清零的方式代替速度，输出为pwm值。速度环采用PD控制，P用于速度的比例控制，D用于积分，积分结果为移动的路程，路程越大，说明距离最初的平衡位置越远，则反馈越大，这就是单纯直立环所缺少的反馈。 极性：Kp与Kd同极性，转动轮子，若轮子逐渐加快速度，则正确，反之，若其向相反方向转动，则错误。 大小：根据经验，Kp=200Kd。在刚刚调好的速度环的前提下，逐渐增大Kd值，若出现在一定范围内平衡迹象，则代码正确，继续调大，直到在小范围内往复运动，此时抖动会很严重，需及时关闭电机。这时的Kp（Kd）即为速度环的参数。此时需要回调直立环的Kp与ki用于消除抖动，一般情况下，需大幅减小Kp。 速度环PD控制代码 float Velocity_PID(int Encoder_L_speed,int Encoder_R_speed) { Velocity.Kp=30; Velocity.Ki=Velocity.Kp/200; Velocity.val_exp=0;//期望速度 Velocity.val=Encoder_L_speed + Encoder_R_speed - Velocity.val_exp; float a = 0.7; Velocity.val_err=Velocity.val_exp - Velocity.val; Velocity.val_err=(1-a)*Velocity.val_err - a*Velocity.val_err_last;//一阶滤波，使小车平稳 Velocity.val_err_last=Velocity.val_err; Velocity.val_sum+=Velocity.val_err; Velocity.val_sum=velocity_sum_restrict(Velocity.val_sum);//积分限幅 Velocity.result=Velocity.Kp * Velocity.val_err + Velocity.Ki * Velocity.val_sum; return Velocity.result; } （四）转向环用于消除两轮的误差，使小车直线运动，没啥可调的，只要速度别太高就行。 float Turn_PID(float yaw) { Turn.Kp=10; Turn.val=yaw; Turn.val_exp=0; Turn.val_err=Turn.val_exp - Turn.val; Turn.result=Turn.Kp * Turn.val; return Turn.result; } （五）其他总输出 Vertical_result=Vertical_PID(roll,gx);//直立环 Velocity_result=Velocity_PID(encoder_L,encoder_R);//速度环 Turn_result=Turn_PID(yaw);//转向环 result=speed_restrict(Vertical_result+Velocity_result);//输出限幅 if(fabs(result)>=20) { Motor_Move(LEFT,result-Turn_result/2); Motor_Move(RIGHT,result+Turn_result/2); }限速函数 float speed_restrict(float speed) { int max_speed = 500; if(speed>=max_speed) speed = max_speed; else if(speed=max_velocity_sum) velocity_sum=max_velocity_sum; else if(velocity_sum |
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