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两轮自平衡小车设计资料大全 含源码

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ID:379018 发表于 2018-12-6 19:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
平衡小车资料大全
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单片机源程序如下:
  1. #include "sys.h"
  2. #include "usart.h"               
  3. //#include "delay.h"       

  5. // 编码器：100线；电机减速比：150

  7. #include "ofme_led.h"


  10. #include "ofme_filter.h"
  11. #include "ofme_iic.h"
  12. #include "ofme_iic_dev.h"
  13. #include "ofme_pwm.h"
  14. #include "ofme_pid.h"
  15. #include "ofme_encoder.h"
  16. #include "ofme_io.h"
  17. #include "ofme_time.h"
  18. #include "ofme_ir_nec.h"

  20. #define PI (3.14159265)
  21. // 度数表示的角速度*1000
  22. #define MDPS (70)
  23. // 弧度表示的角速度
  24. #define RADPS ((float)MDPS*PI/180000)
  25. // 每个查询周期改变的角度
  26. #define RADPT (RADPS/(-100))


  29. // 平衡的角度范围；+-60度(由于角度计算采用一阶展开，实际值约为46度)
  30. #define ANGLE_RANGE_MAX (60*PI/180)
  31. #define ANGLE_RANGE_MIN (-60*PI/180)

  33. // 全局变量
  34. pid_s sPID;                                        // PID控制参数结构体
  35. float radian_filted=0;                // 滤波后的弧度
  36. accelerometer_s acc;                // 加速度结构体，包含3维变量
  37. gyroscope_s gyr;                        // 角速度结构体，包含3维变量
  38. int speed=0, distance=0;        // 小车移动的速度，距离
  39. int tick_flag = 0;                        // 定时中断标志
  40. int pwm_speed = 0;                        // 电机pwm控制的偏置值，两个电机的大小、正负相同，使小车以一定的速度前进
  41. int pwm_turn = 0;                        // 电机pwm控制的差异值，两个电机的大小相同，正负相反，使小车左、右转向
  42. float angle_balance = 0;        // 小车的平衡角度。由于小车重心的偏移，小车的平衡角度不一定是radian_filted为零的时候


  45. // 定时器周期中断，10ms
  46. void sys_tick_proc(void)
  47. {
  48.         static unsigned int i = 0;

  50.         tick_flag++;

  52.         i++;
  53.         if(i>=100) i=0;

  55.         if(i==0)                   // 绿灯的闪烁周期为1秒
  56.         {
  57.                 LED1_OFF();
  58.         }
  59.         else if(i==50)
  60.         {
  61.                 LED1_ON();
  62.         }
  63. }

  65. void control_proc(void)
  66. {
  67.         int i = ir_key_proc(); // 将红外接收到的按键值，转换为小车控制的相应按键值。

  69.         switch(i)
  70.         {
  71.                 case KEY_TURN_LEFT:
  72.                         if(pwm_turn<500) pwm_turn += 50;
  73.                         break;
  74.                 case KEY_TURN_RIGHT:
  75.                         if(pwm_turn>-500) pwm_turn -= 50;
  76.                         break;
  77.                 case KEY_TURN_STOP:
  78.                         pwm_turn = 0;
  79.                         distance = 0;
  80.                         pwm_speed = 0;
  81.                         break;
  82.                 case KEY_SPEED_UP:
  83.                         if(pwm_speed<500) pwm_speed+=100;
  84.                         break;
  85.                 case KEY_SPEED_DOWN:
  86.                         if(pwm_speed>-500) pwm_speed-=100;
  87.                         break;
  88.                 case KEY_SPEED_0:
  89.                         pwm_speed = 0;
  90.                         break;
  91.                 case KEY_SPEED_F1:
  92.                         pwm_speed = 150;
  93.                         break;
  94.                 case KEY_SPEED_F2:
  95.                         pwm_speed = 300;
  96.                         break;
  97.                 case KEY_SPEED_F3:
  98.                         pwm_speed = 450;
  99.                         break;
  100.                 case KEY_SPEED_F4:
  101.                         pwm_speed = 600;
  102.                         break;
  103.                 case KEY_SPEED_F5:
  104.                         pwm_speed = 750;
  105.                         break;
  106.                 case KEY_SPEED_F6:
  107.                         pwm_speed = 900;
  108.                         break;
  109.                 case KEY_SPEED_B1:
  110.                         pwm_speed = -150;
  111.                 case KEY_SPEED_B2:
  112.                         pwm_speed = -300;
  113.                 case KEY_SPEED_B3:
  114.                         pwm_speed = -450;
  115.                         break;
  116.                 default:
  117.                         break;
  118.         }

  120.         pwm_turn *= 0.9;        // pwm_turn的值以0.9的比例衰减，使小车在接收到一个转向信号后只转动一定的时间后停止转动。


  123.         speed = speed*0.7 +0.3*(encoder_read());        // 定周期（10ms）读取编码器数值得到实时速度，再对速度进行平滑滤波
  124.         if(speed!=0)
  125.         {
  126.                 printf("speed: %d, dst: %d, pwm: %d \r\n", speed,distance,(int)(speed*6+distance*0.1));
  127.         }



  131.         encoder_write(0);                                                        // 编码器值重新设为0

  133.         distance += speed;                                                        // 对速度进行积分，得到移动距离

  135.         if(distance>6000) distance = 6000;                        // 减少小车悬空、空转对控制的影响
  136.         else if(distance<-6000) distance = -6000;

  138. }

  140. void balance_proc(void)
  141. {
  142.         static unsigned int err_cnt=0;

  144. //        float tFloat;
  145.         int pwm_balance;
  146. //        static float angle;
  147. //        float angle_t;
  148.         float radian, radian_pt;          // 当前弧度及弧度的微分(角速度，角度值用弧度表示）

  150.         adxl345_read(&acc);                        // 读取当前加速度。由于传感器按照的位置原因，传感器的值在函数内部经过处理，变为小车的虚拟坐标系。
  151.         l3g4200d_read(&gyr);                // 读取当前角速度。同样经过坐标系变换。


  154. // 此段程序用于传感器出错时停止小车
  155.         err_cnt = err_cnt*115>>7;        // err_cnt以0.9的比例系数衰减(115>>7的值约为0.9，避免浮点数，提高速度)
  156.         if(acc.flag != 0x0F || gyr.flag != 0x0F)   // 读取的角度、角速度值有误。可能是电磁干扰、iic线太长等导致出错。
  157.         {
  158.                 LED0_ON();                // 亮红灯
  159.                 err_cnt +=100;        // 等比数列，比例系数0.9(115>>7)，常数项100；根据公式，连续10项的和约为657
  160.                 if(err_cnt>657) goto err;        // 当连续发生约10次（约0.1秒）错误则超过657而溢出。
  161.         }


  164. // 此段程序用于倒立或失重时停止小车
  165.         if(acc.z<=0)
  166.         {
  167.                 goto err;
  168.         }


  171. // 小车的虚拟x轴方向为小车前进方向，虚拟y轴为小车左边，虚拟z轴为小车上升方向。
  172. // 前倾角度为负，后倾角度为正。
  173.         // 通过计算加速度分量，得到小车倾斜弧度（未滤波）
  174.         radian = (float)(acc.x)/acc.z;        //  一阶展开：Q =f(x)=x-x^3/3+x^5/5+...+(-1)^k*x^(2k+1)/(2k+1)+...
  175.         // 通过角速度传感器，得到小车的角速度（单位为 弧度/秒）
  176.         radian_pt = gyr.y*RADPT;
  177.         radian_filted = ofme_filter(radian_filted, radian, radian_pt);                // 互补滤波得到小车的倾斜角度

  179. // 此段程序用于小车倾斜角度过大时，停止小车
  180.         if(radian_filted> ANGLE_RANGE_MAX || radian_filted<ANGLE_RANGE_MIN)
  181.         {
  182.                 goto err;
  183.         }

  185. // 通过PID计算，得到保持小车角度为零所需要的电机pwm输出
  186.         pwm_balance = pid_proc(&sPID, radian_filted, radian_pt);
  187.         //        printf("%d\r\n",speed);
  188. // 通过小车移动速度与移动距离，调整小车平衡所需的pwm输出
  189.         pwm_balance += (speed*6+distance*0.1);

  191. // 在pwm_balance的基础上，加上速度分量与转动分量，调整小车两个电机的转速。
  192.         pwm_control(pwm_balance+pwm_speed+pwm_turn, pwm_balance+pwm_speed-pwm_turn);

  194. // 如果pwm超出有效值，红灯亮。用于调试，了解系统状态。
  195.         if(pwm_balance>=1000||pwm_balance<=-1000) LED1_ON();
  196.         LED0_OFF();
  197.         return;
  198. err:
  199.         puts("balance error.\r\n");
  200.         pwm_control(0, 0);                                   // 关闭电机
  201.         return;
  202. }


  205. int main(void)
  206. {
  207. //        int i=0, t;
  208. //        int pwm;
  209. //        float radian, radian_pt;

  211.           Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟设置
  212.         uart_init(72,57600); //串口1初始化   
  213.         hw_tick_start();   // 定时器周期性中断，用于提供系统脉搏
  214. ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  215.         led_init();
  216.         pwm_init();
  217.         iic_init();
  218.         adxl345_init(&acc);
  219.         l3g4200d_init(&gyr);
  220.         hw_ir_init();
  221.         encoder_init();
  222.         while(0)
  223.         {
  224.                 if(tick_flag>100)
  225.                 {
  226.                         tick_flag = 0;
  227.                         printf("count: %d\r\n",encoder_read());

  229.                 }
  230.         }



  234. ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  235. //        pid_init(&sPID, 4500,0,-300);6000--350        ;8000--350;11000--350;
  236. //        pid_init(&sPID, 6000,0,-35000);
  237.         pid_init(&sPID, 7500,0,-35000);          // 调节PID参数，后3个形参分别为：比例系数P，积分系数I，微分系数D
  238.         sPID.target = -3.5*PI/180;

  240.         radian_filted = 0;
  241.         adxl345_init(&acc);
  242.         l3g4200d_init(&gyr);
  243.         while(1)
  244.         {
  245.                 if(tick_flag)
  246.                 {
  247.                         tick_flag = 0;
  248.                         balance_proc();        // 调节小车，保持平衡
  249.                         control_proc();        // 根据遥控接收到的数据，调整电机输出参数
  250.                 }
  251.         }
  252. }
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