基于STM32F103的二轮平衡车（6轴上位机源代码卡尔曼滤波资料）心得分享

ID:127084 · 发表于 2016-6-17 14:44

       前段时间搞了个平衡车，涉及stm32F3  步进电机驱动陀螺仪mpu3050 加速度计adxl345（也可以用6轴mpu6050）  无线NRF24L01
      当初最大问题是卡尔曼滤波（进行陀螺仪与加速度计的数据融合）和pid调节
      对于卡尔曼滤波，经过自己不断深究，其实也不是很复杂，核心是五大公式，涉及矩阵运算，思想是预测值最优估计值噪声  协方差的概念，难点：一些参数选择

     说下用卡尔曼滤波的出发点，陀螺仪加速度计都可以得到角度，而陀螺仪是先得到角速度再经积分才得到角度，陀螺仪相比加速度计短时间内动态性能好，得到角度精准，但本身有小漂移，随着时间变长，不断积分，误差会越来越大，那就需要用加速度计进行校正

   对于pid算法，里面涉及二级pid，首先要明白小车速度跟给步进电机的频率是成正比的,就把频率等效为速度
   第一个pid，角度pid，通过测角度反馈给stm32f3产生频率(速度)来进行平衡调节(即调节角度)
   第二个pid，速度pid，由于角度调节产生了速度变化，而为了不改变设定的速度，需要进行速度调节，它的反馈来自不断角度pid的结果（由于速度跟频率成正比，不需要测速反馈）
   难点：pid整定参数

/***********************************************
标题: 24L01.c
日期: 2013/12/27
版本：v1.0
功能: 初始化以spi及数据读写
说明：24l01的初始化及spi2的调用
注意：在24l01.h中的管脚配置
*************************************************/
#include "stm32f10x.h"
#include "24l01.h"
#include "spi.h"
#include
const u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
const u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
//初始化24L01的IO口
void NRF24L01_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE );
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;//CE PB12
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3;//LSN
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_8);
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//LED1
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);//LED2
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ; //上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
SPI2_Init(); //初始化SPI2
Clr_NRF24L01_CE; //使能24L01 NRF24L01_CE
Set_NRF24L01_CSN; //SPI片选取消 NRF24L01_CSN
}
//检测24L01是否存在
//返回值:0，成功;1，失败
u8 NRF24L01_Check(void)
{
u8 buf[5]={0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};
u8 i;
NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+TX_ADDR,buf,5);//写入5个字节的地址.
NRF24L01_Read_Buf(TX_ADDR,buf,5); //读出写入的地址
for(i=0;i<5;i++)if(buf[i]!=0XA5)break;
if(i!=5)return 1;//检测24L01错误
return 0; //检测到24L01
}
//SPI写寄存器
//reg:指定寄存器地址
//value:写入的值
u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg,u8 value)
{
u8 status;
Clr_NRF24L01_CSN; //使能SPI传输
status =SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器号
SPIx_ReadWriteByte(value); //写入寄存器的值
Set_NRF24L01_CSN; //禁止SPI传输
return(status); //返回状态值
}
//读取SPI寄存器值
//reg:要读的寄存器
u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg)
{
u8 reg_val;
Clr_NRF24L01_CSN; //使能SPI传输
SPIx_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器号
reg_val=SPIx_ReadWriteByte(0XFF);//读取寄存器内容
Set_NRF24L01_CSN; //禁止SPI传输
return(reg_val); //返回状态值
}
//在指定位置读出指定长度的数据
//reg:寄存器(位置)
//*pBuf:数据指针
//len:数据长度
//返回值,此次读到的状态寄存器值
u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg,u8 *pBuf,u8 len)
{
u8 status,u8_ctr;
Clr_NRF24L01_CSN; //使能SPI传输
status=SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0;u8_ctr<len;u8_ctr++)pbuf[u8_ctr]=spix_readwritebyte(0xff); 读出数据
Set_NRF24L01_CSN; //关闭SPI传输
return status; //返回读到的状态值
}
//在指定位置写指定长度的数据
//reg:寄存器(位置)
//*pBuf:数据指针
//len:数据长度
//返回值,此次读到的状态寄存器值
u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 len)
{
u8 status,u8_ctr;
Clr_NRF24L01_CSN; //使能SPI传输
status = SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0; u8_ctr<len; u8_ctr++)spix_readwritebyte(*pbuf++);="" 写入数据=""
Set_NRF24L01_CSN; //关闭SPI传输
return status; //返回读到的状态值
}
//启动NRF24L01发送一次数据
//txbuf:待发送数据首地址
//返回值:发送完成状况
u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)
{
u8 sta;
Clr_NRF24L01_CE;
NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WR_TX_PLOAD,txbuf,TX_PLOAD_WIDTH);//写数据到TX BUF 32个字节
Set_NRF24L01_CE;//启动发送
while(NRF24L01_IRQ!=0);//等待发送完成
sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志
if(sta&MAX_TX)//达到最大重发次数
{
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_FLUSH_TX,0xff);//清除TX FIFO寄存器
return MAX_TX;
}
if(sta&TX_OK)//发送完成
{
return TX_OK;
}
return 0xff;//其他原因发送失败
}
//启动NRF24L01发送一次数据
//txbuf:待发送数据首地址
//返回值:0，接收完成；其他，错误代码
u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)
{
u8 sta;
sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志
if(sta&RX_OK)//接收到数据
{
NRF24L01_Read_Buf(NRF24L01_RD_RX_PLOAD,rxbuf,RX_PLOAD_WIDTH);//读取数据
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_FLUSH_RX,0xff);//清除RX FIFO寄存器
return 0;
}
return 1;//没收到任何数据
}
//该函数初始化NRF24L01到RX模式
//设置RX地址,写RX数据宽度,选择RF频道,波特率和LNA HCURR
//当CE变高后,即进入RX模式,并可以接收数据了
void RX_Mode(void)
{
Clr_NRF24L01_CE;
NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);//写RX节点地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道0的接收地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通信频率
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);//选择通道0的有效数据宽度
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f);//设置TX发射参数,0db增益,2Mbps,低噪声增益开启
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);//配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式
Set_NRF24L01_CE; //CE为高,进入接收模式
}
//该函数初始化NRF24L01到TX模式
//设置TX地址,写TX数据宽度,设置RX自动应答的地址,填充TX发送数据,选择RF频道,波特率和LNA HCURR
//PWR_UP,CRC使能
//当CE变高后,即进入RX模式,并可以接收数据了
//CE为高大于10us,则启动发送.
void TX_Mode(void)
{
Clr_NRF24L01_CE;
NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//写TX节点地址
NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH); //设置TX节点地址,主要为了使能ACK
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道0的接收地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);//设置自动重发间隔时间:500us + 86us;最大自动重发次数:10次
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通道为40
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f); //设置TX发射参数,0db增益,2Mbps,低噪声增益开启
NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+CONFIG,0x0e); //配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式,开启所有中断
Set_NRF24L01_CE;//CE为高,10us后启动发送
}

复制代码

代码资料（完美）见下
balance car nrf24l01程序完美.zip (6.43 MB, 下载次数: 243)

2016-6-17 14:43 上传
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平衡车卡尔曼滤波资料.zip (1.2 MB, 下载次数: 213)

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ID:106341 · 发表于 2016-6-20 08:47

好玩的东西都要MARK一下

ID:127462 · 发表于 2016-6-20 19:55

学习，学习，谢谢

ID:136370 · 发表于 2016-8-9 18:34

我用printf("%0.2f %0.2f %0.2f\r\n",Angle,Angle_ax,Gyro_y);函数分别读取的加速度，角速度和倾角，我发现当我快速的改变板子的倾角的时候，比如快速变化10度，Angle（卡尔曼滤波后的倾角）瞬时变化非常快，可能会瞬间变化几十度然后回到正常角度，而当我缓慢变化10度的时候，Angle变化是正常线性变化到10度，在这两种变化中，Angle_ax（从MPU6050读取的值经过处理后的陀螺仪的Y轴数据）的变化一直都是线性正常的，并且Angle的值特别接近Angle_ax的值问题：1，我快速改变板子倾角时Angle的变化正常吗？ 2，Angle正常变化的时候是应该与Angle_ax的值相近吗？现在情况就是，就算我是在减小倾角，只要我快速地改变，它显示的倾角都会先增大再减小，而如果我慢速改变的话，倾角就会缓慢减小而不会出现中间的角度增大 *************读取数据******************** //定义MPU6050内部地址 #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺仪采样率典型值 0X07 125Hz #define CONFIG 0x1A //低通滤波频率典型值 0x00 #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺仪自检及测量范围典型值 0x18 不自检 2000deg/s #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速度计自检及测量范围及高通滤波频率典型值 0x01 不自检 2G 5Hz #define INT_PIN_CFG 0x37 #define INT_ENABLE 0x38 #define INT_STATUS 0x3A //只读 #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_YOUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x41 #define TEMP_OUT_L 0x42 #define GYRO_XOUT_H 0x43 #define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45 #define GYRO_YOUT_L 0x46 #define GYRO_ZOUT_H 0x47 #define GYRO_ZOUT_L 0x48 //读取寄存器原生数据 MPU6050_Raw_Data.Accel_X = (buf[0]<<8 | buf[1]); MPU6050_Raw_Data.Accel_Y = (buf[2]<<8 | buf[3]); MPU6050_Raw_Data.Accel_Z = (buf[4]<<8 | buf[5]); MPU6050_Raw_Data.Temp = (buf[6]<<8 | buf[7]); MPU6050_Raw_Data.Gyro_X = (buf[8]<<8 | buf[9]); MPU6050_Raw_Data.Gyro_Y = (buf[10]<<8 | buf[11]); MPU6050_Raw_Data.Gyro_Z = (buf[12]<<8 | buf[13]); //将原生数据转换为实际值，计算公式跟寄存器的配置有关 MPU6050_Real_Data.Accel_X = -(float)(MPU6050_Raw_Data.Accel_X)/8192.0; MPU6050_Real_Data.Accel_Y = -(float)(MPU6050_Raw_Data.Accel_Y)/8192.0; MPU6050_Real_Data.Accel_Z = (float)(MPU6050_Raw_Data.Accel_Z)/8192.0; MPU6050_Real_Data.Gyro_X=-(float)(MPU6050_Raw_Data.Gyro_X - gyroADC_X_offset)/65.5; MPU6050_Real_Data.Gyro_Y=-(float)(MPU6050_Raw_Data.Gyro_Y - gyroADC_Y_offset)/65.5; MPU6050_Real_Data.Gyro_Z=(float)(MPU6050_Raw_Data.Gyro_Z - gyroADC_Z_offset)/65.5; } //******卡尔曼参数************ const float Q_angle=0.001; const float Q_gyro=0.003; const float R_angle=0.5; const float dt=0.01; //dt为kalman滤波器采样时间; const char C_0 = 1; float Q_bias, Angle_err; float PCt_0, PCt_1, E; float K_0, K_1, t_0, t_1; float Pdot[4] ={0,0,0,0}; float PP[2][2] = { { 1, 0 },{ 0, 1 } }; /*****************卡尔曼滤波**************************************************/ 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***************** void Angle_Calculate(void) { /****************************加速度****************************************/ Accel_x = MPU6050_Real_Data.Accel_X; //读取X轴加速度 Angle_ax = Accel_x*1.2*180/3.14; //弧度转换为度 /****************************角速度****************************************/ Gyro_y = MPU6050_Real_Data.Gyro_Y; 时间dt，所以此处不用积分 /***************************卡尔曼融合*************************************/ Kalman_Filter(Angle_ax,Gyro_y); //卡尔曼滤波计算倾角