平衡车卡尔曼滤波源码,6轴MPU6050+互补滤波

ID:321526 · 发表于 2018-5-3 19:45

卡尔曼滤波单片机源程序如下:

/***********************************************************************
// 两轮自平衡车最终版控制程序（6轴MPU6050+互补滤波+PWM电机）
// 单片机STC12C5A60S2
// 晶振：20M
***********************************************************************/
#include <REG52.H>
#include <math.h>
#include <stdio.h>
#include <INTRINS.H>
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned short ushort;
typedef unsigned int uint;
//******功能模块头文件*******
#include "DELAY.H" //延时头文件
#include "STC_ISP.H" //程序烧录头文件
#include "SET_SERIAL.H" //串口头文件
#include "SET_PWM.H" //PWM头文件
#include "MOTOR.H" //电机控制头文件
#include "MPU6050.H" //MPU6050头文件
//******角度参数************
float Gyro_y; //Y轴陀螺仪数据暂存
float Angle_gy; //由角速度计算的倾斜角度
float Accel_x; //X轴加速度值暂存
float Angle_ax; //由加速度计算的倾斜角度
float Angle; //小车最终倾斜角度
uchar value; //角度正负极性标记
//******PWM参数*************
int speed_mr; //右电机转速
int speed_ml; //左电机转速
int PWM_R; //右轮PWM值计算
int PWM_L; //左轮PWM值计算
float PWM; //综合PWM计算
float PWMI; //PWM积分值
//******电机参数*************
float speed_r_l; //电机转速
float speed; //电机转速滤波
float position; //位移
//******蓝牙遥控参数*************
uchar remote_char;
char turn_need;
char speed_need;
//*********************************************************
//定时器100Hz数据更新中断
//*********************************************************
void Init_Timer1(void) //10毫秒@20MHz,100Hz刷新频率
{
AUXR &= 0xBF; //定时器时钟12T模式
TMOD &= 0x0F; //设置定时器模式
TMOD |= 0x10; //设置定时器模式
TL1 = 0xE5; //设置定时初值
TH1 = 0xBE; //设置定时初值
TF1 = 0; //清除TF1标志
TR1 = 1; //定时器1开始计时
}
//*********************************************************
//中断控制初始化
//*********************************************************
void Init_Interr(void)
{
EA = 1; //开总中断
EX0 = 1; //开外部中断INT0
EX1 = 1; //开外部中断INT1
IT0 = 1; //下降沿触发
IT1 = 1; //下降沿触发
ET1 = 1; //开定时器1中断
}
//******卡尔曼参数************
float code Q_angle=0.001;
float code Q_gyro=0.003;
float code R_angle=0.5;
float code dt=0.01; //dt为kalman滤波器采样时间;
char code C_0 = 1;
float xdata Q_bias, Angle_err;
float xdata PCt_0, PCt_1, E;
float xdata K_0, K_1, t_0, t_1;
float xdata Pdot[4] ={0,0,0,0};
float xdata PP[2][2] = { { 1, 0 },{ 0, 1 } };
//*********************************************************
// 卡尔曼滤波
//*********************************************************
//Kalman滤波，20MHz的处理时间约0.77ms；
void Kalman_Filter(float Accel,float Gyro)
{
Angle+=(Gyro - Q_bias) * dt; //先验估计
Pdot[0]=Q_angle - PP[0][1] - PP[1][0]; // Pk-先验估计误差协方差的微分
Pdot[1]=- PP[1][1];
Pdot[2]=- PP[1][1];
Pdot[3]=Q_gyro;
PP[0][0] += Pdot[0] * dt; // Pk-先验估计误差协方差微分的积分
PP[0][1] += Pdot[1] * dt; // =先验估计误差协方差
PP[1][0] += Pdot[2] * dt;
PP[1][1] += Pdot[3] * dt;
Angle_err = Accel - Angle; //zk-先验估计
PCt_0 = C_0 * PP[0][0];
PCt_1 = C_0 * PP[1][0];
E = R_angle + C_0 * PCt_0;
K_0 = PCt_0 / E;
K_1 = PCt_1 / E;
t_0 = PCt_0;
t_1 = C_0 * PP[0][1];
PP[0][0] -= K_0 * t_0; //后验估计误差协方差
PP[0][1] -= K_0 * t_1;
PP[1][0] -= K_1 * t_0;
PP[1][1] -= K_1 * t_1;
Angle += K_0 * Angle_err; //后验估计
Q_bias += K_1 * Angle_err; //后验估计
Gyro_y = Gyro - Q_bias; //输出值(后验估计)的微分=角速度
}
//*********************************************************
// 倾角计算（卡尔曼融合）
//*********************************************************
void Angle_Calcu(void)
{
//------加速度--------------------------
//范围为2g时，换算关系：16384 LSB/g
//角度较小时，x=sinx得到角度（弧度）, deg = rad*180/3.14
//因为x>=sinx,故乘以1.3适当放大
Accel_x = GetData(ACCEL_XOUT_H); //读取X轴加速度
Angle_ax = (Accel_x - 1100) /16384; //去除零点偏移,计算得到角度（弧度）
Angle_ax = Angle_ax*1.2*180/3.14; //弧度转换为度,
//-------角速度-------------------------
//范围为2000deg/s时，换算关系：16.4 LSB/(deg/s)
Gyro_y = GetData(GYRO_YOUT_H); //静止时角速度Y轴输出为-30左右
Gyro_y = -(Gyro_y + 30)/16.4; //去除零点偏移，计算角速度值,负号为方向处理
//Angle_gy = Angle_gy + Gyro_y*0.01; //角速度积分得到倾斜角度.
//-------卡尔曼滤波融合-----------------------
Kalman_Filter(Angle_ax,Gyro_y); //卡尔曼滤波计算倾角
/*//-------互补滤波-----------------------
//补偿原理是取当前倾角和加速度获得倾角差值进行放大，然后与
//陀螺仪角速度叠加后再积分，从而使倾角最跟踪为加速度获得的角度
//0.5为放大倍数，可调节补偿度；0.01为系统周期10ms
Angle = Angle + (((Angle_ax-Angle)*0.5 + Gyro_y)*0.01);*/
}
//*********************************************************
//电机转速和位移值计算
//*********************************************************
void Psn_Calcu(void)
{
speed_r_l =(speed_mr + speed_ml)*0.5;
speed *= 0.7; //车轮速度滤波
speed += speed_r_l*0.3;
position += speed; //积分得到位移
position += speed_need;
if(position<-6000) position = -6000;
if(position> 6000) position = 6000;
}
static float code Kp = 9.0; //PID参数
static float code Kd = 2.6; //PID参数
static float code Kpn = 0.01; //PID参数
static float code Ksp = 2.0; //PID参数
//*********************************************************
//电机PWM值计算
//*********************************************************
void PWM_Calcu(void)
{
if(Angle<-40||Angle>40) //角度过大，关闭电机
{
CCAP0H = 0;
CCAP1H = 0;
return;
}
PWM = Kp*Angle + Kd*Gyro_y; //PID：角速度和角度
PWM += Kpn*position + Ksp*speed; //PID：速度和位置
PWM_R = PWM + turn_need;
PWM_L = PWM - turn_need;
PWM_Motor(PWM_L,PWM_R);
}
//*********************************************************
//手机蓝牙遥控
//*********************************************************
void Bluetooth_Remote(void)
{
remote_char = receive_char(); //接收蓝牙串口数据
if(remote_char ==0x02) speed_need = -80; //前进
else if(remote_char ==0x01) speed_need = 80; //后退
else speed_need = 0; //不动
if(remote_char ==0x03) turn_need = 15; //左转
else if(remote_char ==0x04) turn_need = -15; //右转
else turn_need = 0; //不转
}
/*=================================================================================*/
//*********************************************************
//main
//*********************************************************
void main()
{
delaynms(500); //上电延时
Init_PWM(); //PWM初始化
Init_Timer0(); //初始化定时器0，作为PWM时钟源
Init_Timer1(); //初始化定时器1
Init_Interr(); //中断初始化
Init_Motor(); //电机控制初始化
Init_BRT(); //串口初始化（独立波特率）
InitMPU6050(); //初始化MPU6050
delaynms(500);
while(1)
{
Bluetooth_Remote();
}
}
/*=================================================================================*/
//********timer1中断***********************
void Timer1_Update(void) interrupt 3
{
TL1 = 0xE5; //设置定时初值10MS
TH1 = 0xBE;
//STC_ISP(); //程序下载
Angle_Calcu(); //倾角计算
Psn_Calcu(); //电机位移计算
PWM_Calcu(); //计算PWM值
speed_mr = speed_ml = 0;
}
//********右电机中断***********************
void INT_L(void) interrupt 0
{
if(SPDL == 1) { speed_ml++; } //左电机前进
else { speed_ml--; } //左电机后退
LED = ~LED;
}
//********左电机中断***********************
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