Arduino平衡小车源码&原理图[Minibalance For Arduino]

Arduino平衡小车源码&原理图【Minibalance For Arduino】 0.png (84.48 KB, 下载次数: 183) 下载附件 2017-7-12 20:50 上传 把我们提供的库文件拷贝到您的Arduino安装目录下的Libraries文件夹 可在附件中下载 /****************************************************************************    作者：平衡小车之家    产品名称：Minibalance For Arduino ****************************************************************************/ #include <DATASCOPE.h>      //这是PC端上位机的库文件 #include <PinChangeInt.h>    //外部中断 #include <MsTimer2.h>        //定时中断 #include <KalmanFilter.h>    //卡尔曼滤波 #include "I2Cdev.h"         #include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"//MPU6050库文件 #include "Wire.h"   #include <EEPROM.h>          MPU6050 Mpu6050; //实例化一个 MPU6050 对象，对象名称为 Mpu6050 DATASCOPE data;//实例化一个 上位机 对象，对象名称为 data KalmanFilter KalFilter;//实例化一个卡尔曼滤波器对象，对象名称为 KalFilter int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;  //MPU6050的三轴加速度和三轴陀螺仪数据 #define KEY 3     //按键引脚 #define IN1 12   //TB6612FNG驱动模块控制信号 共6个 #define IN2 13 #define IN3 7 #define IN4 6 #define PWMA 10 #define PWMB 9 #define ENCODER_L 2  //编码器采集引脚 每路2个 共4个 #define DIRECTION_L 5 #define ENCODER_R 4 #define DIRECTION_R 8 #define ZHONGZHI 0//小车的机械中值  DIFFERENCE #define DIFFERENCE 2 int Balance_Pwm, Velocity_Pwm, Turn_Pwm;   //直立 速度 转向环的PWM int Motor1, Motor2;      //电机叠加之后的PWM float Battery_Voltage;   //电池电压 单位是V volatile long Velocity_L, Velocity_R = 0;   //左右轮编码器数据 int Velocity_Left, Velocity_Right = 0;     //左右轮速度 int Flag_Qian, Flag_Hou, Flag_Left, Flag_Right; //遥控相关变量 int Angle, Show_Data,PID_Send;  //用于显示的角度和临时变量 unsigned char Flag_Stop = 1,Send_Count,Flash_Send;  //停止标志位和上位机相关变量 float Balance_Kp=15,Balance_Kd=0.4,Velocity_Kp=2,Velocity_Ki=0.01; //***************下面是卡尔曼滤波相关变量***************// float K1 = 0.05; // 对加速度计取值的权重 float Q_angle = 0.001, Q_gyro = 0.005; float R_angle = 0.5 , C_0 = 1; float dt = 0.005; //注意：dt的取值为滤波器采样时间 5ms int addr = 0; /************************************************************************** 函数功能：检测小车是否被拿起 入口参数：Z轴加速度 平衡倾角 左轮编码器 右轮编码器 返回  值：0：无事件 1：小车被拿起 **************************************************************************/ int Pick_Up(float Acceleration, float Angle, int encoder_left, int encoder_right){   static unsigned int flag, count0, count1, count2;   if (flag == 0) //第一步   {     if (abs(encoder_left) + abs(encoder_right) < 15)         count0++;  //条件1，小车接近静止     else       count0 = 0;     if (count0 > 10)      flag = 1, count0 = 0;   }   if (flag == 1) //进入第二步   {     if (++count1 > 400)       count1 = 0, flag = 0;                         //超时不再等待2000ms     if (Acceleration > 27000 && (Angle > (-14 + ZHONGZHI)) && (Angle < (14 + ZHONGZHI)))  flag = 2; //条件2，小车是在0度附近被拿起   }   if (flag == 2)  //第三步   {     if (++count2 > 200)       count2 = 0, flag = 0;       //超时不再等待1000ms     if (abs(encoder_left + encoder_right) > 300)           //条件3，小车的轮胎因为正反馈达到最大的转速            {         flag = 0;  return 1;       }                                             }   return 0; } /************************************************************************** 函数功能：检测小车是否被放下 作者：平衡小车之家 入口参数： 平衡倾角 左轮编码器 右轮编码器 返回  值：0：无事件 1：小车放置并启动 **************************************************************************/ int Put_Down(float Angle, int encoder_left, int encoder_right){   static u16 flag, count;   if (Flag_Stop == 0)         return 0;                   //防止误检   if (flag == 0)   {     if (Angle > (-10 + ZHONGZHI) && Angle < (10 + ZHONGZHI) && encoder_left == 0 && encoder_right == 0)      flag = 1; //条件1，小车是在0度附近的   }   if (flag == 1)   {     if (++count > 100)       count = 0, flag = 0;  //超时不再等待 500ms     if (encoder_left > 12 && encoder_right > 12 && encoder_left < 80 && encoder_right < 80) //条件2，小车的轮胎在未上电的时候被人为转动     {       flag = 0;       flag = 0;       return 1;    //检测到小车被放下     }   }   return 0; } /************************************************************************** 函数功能：异常关闭电机 作者：平衡小车之家 入口参数：倾角和电池电压 返回  值：1：异常  0：正常 **************************************************************************/ unsigned char Turn_Off(float angle, float voltage) {   unsigned char temp;   if (angle < -40 || angle > 40 || 1 == Flag_Stop || voltage < 11.1) //电池电压低于11.1V关闭电机 //===倾角大于40度关闭电机//===Flag_Stop置1关闭电机   {                                                                             temp = 1;                                               analogWrite(PWMA, 0);  //PWM输出为0     analogWrite(PWMB, 0); //PWM输出为0   }   else    temp = 0;   //不存在异常，返回0   return temp; } /************************************************************************** 函数功能：虚拟示波器往上位机发送数据 作者：平衡小车之家 入口参数：无 返回  值：无 **************************************************************************/ void DataScope(void) {   int i;   data.DataScope_Get_Channel_Data(Angle, 1);  //显示第一个数据，角度   data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Left, 2);//显示第二个数据，左轮速度  也就是每40ms输出的脉冲计数   data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Right, 3);//显示第三个数据，右轮速度 也就是每40ms输出的脉冲计数   data.DataScope_Get_Channel_Data(Battery_Voltage, 4);//显示第四个数据，电池电压，单位V   Send_Count = data.DataScope_Data_Generate(4);   for ( i = 0 ; i < Send_Count; i++)   {     Serial.write(DataScope_OutPut_Buffer[i]);     }   delay(50);  //上位机必须严格控制发送时序 } /************************************************************************** 函数功能：按键扫描  作者：平衡小车之家 入口参数：无 返回  值：按键状态，1：单击事件，0：无事件。 **************************************************************************/ unsigned char My_click(void){   static unsigned char flag_key = 1; //按键按松开标志   unsigned char Key;      Key = digitalRead(KEY);   //读取按键状态   if (flag_key && Key == 0) //如果发生单击事件   {     flag_key = 0;     return 1;            // 单击事件   }   else if (1 == Key)     flag_key = 1;   return 0;//无按键按下 } /************************************************************************** 函数功能：直立PD控制  作者：平衡小车之家 入口参数：角度、角速度 返回  值：直立控制PWM **************************************************************************/ int balance(float Angle, float Gyro) {   float Bias;   int balance;   Bias = Angle - 0;   //===求出平衡的角度中值 和机械相关   balance = Balance_Kp * Bias + Gyro * Balance_Kd; //===计算平衡控制的电机PWM  PD控制   kp是P系数 kd是D系数   return balance; } /************************************************************************** 函数功能：速度PI控制 作者：平衡小车之家 入口参数：左轮编码器、右轮编码器 返回  值：速度控制PWM **************************************************************************/ int velocity(int encoder_left, int encoder_right) {   static float Velocity, Encoder_Least, Encoder, Movement;   static float Encoder_Integral, Target_Velocity;   float kp = 2, ki = kp / 200;    //PI参数   if       ( Flag_Qian == 1)Movement = 600;   else   if ( Flag_Hou == 1)Movement = -600;   else    //这里是停止的时候反转，让小车尽快停下来   {     Movement = 0;     if (Encoder_Integral > 300)   Encoder_Integral -= 200;     if (Encoder_Integral < -300)  Encoder_Integral += 200;   }   //=============速度PI控制器=======================//   Encoder_Least = (encoder_left + encoder_right) - 0;               //===获取最新速度偏差==测量速度（左右编码器之和）-目标速度（此处为零）   Encoder *= 0.7;                                                   //===一阶低通滤波器   Encoder += Encoder_Least * 0.3;                                   //===一阶低通滤波器   Encoder_Integral += Encoder;                                      //===积分出位移 积分时间：40ms   Encoder_Integral = Encoder_Integral - Movement;                   //===接收遥控器数据，控制前进后退   if (Encoder_Integral > 21000)    Encoder_Integral = 21000;        //===积分限幅   if (Encoder_Integral < -21000) Encoder_Integral = -21000;         //===积分限幅   Velocity = Encoder * Velocity_Kp + Encoder_Integral * Velocity_Ki;                  //===速度控制   if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 1 || Flag_Stop == 1)    Encoder_Integral = 0;//小车停止的时候积分清零   return Velocity; } /************************************************************************** 函数功能：转向控制 作者：平衡小车之家 入口参数：Z轴陀螺仪 返回  值：转向控制PWM **************************************************************************/ int turn(float gyro)//转向控制 {   static float Turn_Target, Turn, Turn_Convert = 3;   float Turn_Amplitude = 80, Kp = 2, Kd = 0.001;  //PD参数   if (1 == Flag_Left)             Turn_Target += Turn_Convert;  //根据遥控指令改变转向偏差   else if (1 == Flag_Right)       Turn_Target -= Turn_Convert;//根据遥控指令改变转向偏差   else Turn_Target = 0;   if (Turn_Target > Turn_Amplitude)  Turn_Target = Turn_Amplitude; //===转向速度限幅   if (Turn_Target < -Turn_Amplitude) Turn_Target = -Turn_Amplitude;   Turn = -Turn_Target * Kp + gyro * Kd;         //===结合Z轴陀螺仪进行PD控制   return Turn; } /************************************************************************** 函数功能：赋值给PWM寄存器 作者：平衡小车之家 入口参数：左轮PWM、右轮PWM 返回  值：无 **************************************************************************/ void Set_Pwm(int moto1, int moto2) {   if (moto1 > 0)     digitalWrite(IN1, HIGH),      digitalWrite(IN2, LOW);  //TB6612的电平控制   else             digitalWrite(IN1, LOW),       digitalWrite(IN2, HIGH); //TB6612的电平控制   analogWrite(PWMA, abs(moto1)); //赋值给PWM寄存器   if (moto2 < 0) digitalWrite(IN3, HIGH),     digitalWrite(IN4, LOW); //TB6612的电平控制   else        digitalWrite(IN3, LOW),      digitalWrite(IN4, HIGH); //TB6612的电平控制   analogWrite(PWMB, abs(moto2));//赋值给PWM寄存器 } /************************************************************************** 函数功能：限制PWM赋值  作者：平衡小车之家 入口参数：无 返回  值：无 **************************************************************************/ void Xianfu_Pwm(void) {   int Amplitude = 250;  //===PWM满幅是255 限制在250   if(Flag_Qian==1)  Motor2-=DIFFERENCE;  //DIFFERENCE是一个衡量平衡小车电机和机械安装差异的一个变量。直接作用于输出，让小车具有更好的一致性。   if(Flag_Hou==1)   Motor2-=DIFFERENCE-2;   if (Motor1 < -Amplitude) Motor1 = -Amplitude;   if (Motor1 > Amplitude)  Motor1 = Amplitude;   if (Motor2 < -Amplitude) Motor2 = -Amplitude;   if (Motor2 > Amplitude)  Motor2 = Amplitude; } /************************************************************************** 函数功能：5ms控制函数 核心代码 作者：平衡小车之家 入口参数：无 返回  值：无 **************************************************************************/ void control() {   static int Velocity_Count, Turn_Count, Encoder_Count;   static float Voltage_All,Voltage_Count;   int Temp;   sei();//全局中断开启   Mpu6050.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);  //获取MPU6050陀螺仪和加速度计的数据   KalFilter.Angletest(ax, ay, az, gx, gy, gz, dt, Q_angle, Q_gyro, R_angle, C_0, K1);          //通过卡尔曼滤波获取角度   Angle = KalFilter.angle;//Angle是一个用于显示的整形变量   Balance_Pwm = balance(KalFilter.angle, KalFilter.Gyro_x);//直立PD控制 控制周期5ms   if (++Velocity_Count >= 8) //速度控制，控制周期40ms   {     Velocity_Left = Velocity_L;    Velocity_L = 0;  //读取左轮编码器数据，并清零，这就是通过M法测速（单位时间内的脉冲数）得到速度。     Velocity_Right = Velocity_R;    Velocity_R = 0; //读取右轮编码器数据，并清零     Velocity_Pwm = velocity(Velocity_Left, Velocity_Right);//速度PI控制，控制周期40ms     Velocity_Count = 0;   }   if (++Turn_Count >= 4)//转向控制，控制周期20ms   {     Turn_Pwm = turn(gz);     Turn_Count = 0;   }   Motor1 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm + Turn_Pwm;  //直立速度转向环的叠加   Motor2 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm - Turn_Pwm; //直立速度转向环的叠加   Xianfu_Pwm();//限幅   if (Pick_Up(az, KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right))   Flag_Stop = 1;  //===如果被拿起就关闭电机//===检查是否小车被那起   if (Put_Down(KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right))      Flag_Stop = 0;              //===检查是否小车被放下   if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 0)        Set_Pwm(Motor1, Motor2);//如果不存在异常，赋值给PWM寄存器控制电机   if (My_click()) Flag_Stop = !Flag_Stop;   //中断剩余的时间扫描一下按键状态   Temp = analogRead(0);  //采集一下电池电压   Voltage_Count++;       //平均值计数器   Voltage_All+=Temp;     //多次采样累积   if(Voltage_Count==200) Battery_Voltage=Voltage_All*0.05371/200,Voltage_All=0,Voltage_Count=0;//求平均值 } /************************************************************************** 函数功能：初始化 相当于STM32里面的Main函数 作者：平衡小车之家 入口参数：无 返回  值：无 **************************************************************************/ void setup() {   pinMode(IN1, OUTPUT);        //TB6612控制引脚，控制电机1的方向，01为正转，10为反转   pinMode(IN2, OUTPUT);          //TB6612控制引脚，   pinMode(IN3, OUTPUT);          //TB6612控制引脚，控制电机2的方向，01为正转，10为反转   pinMode(IN4, OUTPUT);          //TB6612控制引脚，   pinMode(PWMA, OUTPUT);         //TB6612控制引脚，电机PWM   pinMode(PWMB, OUTPUT);         //TB6612控制引脚，电机PWM   digitalWrite(IN1, 0);          //TB6612控制引脚拉低   digitalWrite(IN2, 0);          //TB6612控制引脚拉低   digitalWrite(IN3, 0);          //TB6612控制引脚拉低   digitalWrite(IN4, 0);          //TB6612控制引脚拉低   analogWrite(PWMA, 0);          //TB6612控制引脚拉低   analogWrite(PWMB, 0);          //TB6612控制引脚拉低   pinMode(2, INPUT);       //编码器引脚   pinMode(4, INPUT);       //编码器引脚   pinMode(5, INPUT);       //编码器引脚   pinMode(8, INPUT);       //编码器引脚   pinMode(3, INPUT);       //按键引脚   Wire.begin();             //加入 IIC 总线   Serial.begin(9600);       //开启串口，设置波特率为 9600   delay(1500);              //延时等待初始化完成   Mpu6050.initialize();     //初始化MPU6050   delay(20);   if(digitalRead(KEY)==0) {    //读取EEPROM的参数   Balance_Kp =  (float)((EEPROM.read(addr+0)*256)+EEPROM.read(addr+1) )/100;   Balance_Kd =  (float)((EEPROM.read(addr+2)*256)+EEPROM.read(addr+3))/100;   Velocity_Kp = (float)((EEPROM.read(addr+4)*256)+EEPROM.read(addr+5))/100;   Velocity_Ki = (float)((EEPROM.read(addr+6)*256)+EEPROM.read(addr+7))/100;   }   MsTimer2::set(5, control);  //使用Timer2设置5ms定时中断   MsTimer2::start();          //使用中断使能   attachInterrupt(0, READ_ENCODER_L, CHANGE);           //开启外部中断 编码器接口1   attachPinChangeInterrupt(4, READ_ENCODER_R, CHANGE);  //开启外部中断 编码器接口2 } /************************************************************************** 函数功能：主循环程序体 入口参数：无 返回  值：无 **************************************************************************/ void loop() {   int Voltage_Temp;   static unsigned char flag;   unsigned char Balance_Kp_Temp=0,Balance_Kd_Temp=0,Velocity_Kp_Temp=0,Velocity_Ki_Temp=0;   Voltage_Temp = (Battery_Voltage - 11.1) * 60;  //根据APP的协议对电池电压变量进行处理   if (Voltage_Temp > 100)Voltage_Temp = 100;   if (Voltage_Temp < 0)Voltage_Temp = 0;   if (Flag_Stop == 0)   {     Serial.begin(9600);       //开启串口，设置波特率为 9600     flag=!flag;       if(PID_Send==1)//发送PID参数   {     Serial.print("{C");     Serial.print((int)(Balance_Kp*100));   //左轮编码器     Serial.print(":");     Serial.print((int)(Balance_Kd*100));  //右轮编码器 …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件………… 复制代码 全部资料下载地址： Minibalance For Arduino平衡小车原理图.pdf (203.8 KB, 下载次数: 220) 2017-7-12 18:29 上传 点击文件名下载附件 下载积分: 黑币 -5 Arduino平衡小车源码.zip (145.75 KB, 下载次数: 273) 2017-7-12 18:31 上传 点击文件名下载附件 下载积分: 黑币 -5

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