标题: 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 [打印本页]
作者: 51hei大小    时间: 2016-6-17 14:44
标题: 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
         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




  1. /***********************************************
  2. 标题: 24L01.c
  3. 日期: 2013/12/27
  4. 版本：v1.0
  5. 功能: 初始化以spi及数据读写
  6. 说明：24l01的初始化及spi2的调用
  7. 注意：在24l01.h中的管脚配置

  9. *************************************************/
  10. #include "stm32f10x.h"
  11. #include "24l01.h"
  12. #include "spi.h"
  13. #include
  14.          
  15. const u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
  16. const u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
  17.                                                             
  18. //初始化24L01的IO口
  19. void NRF24L01_Init(void)
  20.         {
  21.                
  22.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  23.         RCC_APB2PeriphClockCmd(        RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE );        

  25.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;//CE  PB12
  26.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //推挽输出
  27.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  28.         GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  29.         GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);

  31.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3;//LSN
  32.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //推挽输出
  33.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  34.         GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
  35.         GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_8);
  36.                
  37.                 GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//LED1
  38.                 GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);//LED2

  40.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
  41.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU  ;   //上拉输入
  42.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  43.         GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

  45.         SPI2_Init();    //初始化SPI2
  46.         
  47.         Clr_NRF24L01_CE;         //使能24L01  NRF24L01_CE
  48.         Set_NRF24L01_CSN;    //SPI片选取消 NRF24L01_CSN                           
  49.         }

  51. //检测24L01是否存在
  52. //返回值:0，成功;1，失败        
  53. u8 NRF24L01_Check(void)
  54.         {
  55.         u8 buf[5]={0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};
  56.         u8 i;
  57.         NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+TX_ADDR,buf,5);//写入5个字节的地址.        
  58.         NRF24L01_Read_Buf(TX_ADDR,buf,5); //读出写入的地址  
  59.         for(i=0;i<5;i++)if(buf[i]!=0XA5)break;                                                                    
  60.         if(i!=5)return 1;//检测24L01错误        
  61.         return 0;                 //检测到24L01
  62.         }        
  63.          
  64. //SPI写寄存器
  65. //reg:指定寄存器地址
  66. //value:写入的值
  67. u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg,u8 value)
  68.         {
  69.         u8 status;        
  70.         Clr_NRF24L01_CSN;                 //使能SPI传输
  71.         status =SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器号
  72.         SPIx_ReadWriteByte(value);      //写入寄存器的值
  73.         Set_NRF24L01_CSN;                 //禁止SPI传输           
  74.         return(status);                               //返回状态值
  75.         }

  77. //读取SPI寄存器值
  78. //reg:要读的寄存器
  79. u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg)
  80.         {
  81.         u8 reg_val;            
  82.         Clr_NRF24L01_CSN;          //使能SPI传输               
  83.         SPIx_ReadWriteByte(reg);   //发送寄存器号
  84.         reg_val=SPIx_ReadWriteByte(0XFF);//读取寄存器内容
  85.         Set_NRF24L01_CSN;          //禁止SPI传输                    
  86.         return(reg_val);           //返回状态值
  87.         }        

  89. //在指定位置读出指定长度的数据
  90. //reg:寄存器(位置)
  91. //*pBuf:数据指针
  92. //len:数据长度
  93. //返回值,此次读到的状态寄存器值
  94. u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg,u8 *pBuf,u8 len)
  95.         {
  96.         u8 status,u8_ctr;               
  97.         Clr_NRF24L01_CSN;           //使能SPI传输
  98.         status=SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值              
  99.         for(u8_ctr=0;u8_ctr<len;u8_ctr++)pbuf[u8_ctr]=spix_readwritebyte(0xff); 读出数据
  100.         Set_NRF24L01_CSN;       //关闭SPI传输
  101.         return status;        //返回读到的状态值
  102.         }

  104. //在指定位置写指定长度的数据
  105. //reg:寄存器(位置)
  106. //*pBuf:数据指针
  107. //len:数据长度
  108. //返回值,此次读到的状态寄存器值
  109. u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 len)
  110.         {
  111.         u8 status,u8_ctr;            
  112.         Clr_NRF24L01_CSN;          //使能SPI传输
  113.         status = SPIx_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值
  114.         for(u8_ctr=0; u8_ctr<len; u8_ctr++)spix_readwritebyte(*pbuf++);="" 写入数据=""
  115.         Set_NRF24L01_CSN;       //关闭SPI传输
  116.         return status;          //返回读到的状态值
  117.         }
  118.                                    
  119. //启动NRF24L01发送一次数据
  120. //txbuf:待发送数据首地址
  121. //返回值:发送完成状况
  122. u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)
  123.         {
  124.         u8 sta;
  125.         Clr_NRF24L01_CE;
  126.         NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WR_TX_PLOAD,txbuf,TX_PLOAD_WIDTH);//写数据到TX BUF  32个字节
  127.         Set_NRF24L01_CE;//启动发送           
  128.         while(NRF24L01_IRQ!=0);//等待发送完成
  129.         sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS);  //读取状态寄存器的值           
  130.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志
  131.         if(sta&MAX_TX)//达到最大重发次数
  132.                 {
  133.                 NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_FLUSH_TX,0xff);//清除TX FIFO寄存器
  134.                 return MAX_TX;
  135.                 }
  136.         if(sta&TX_OK)//发送完成
  137.                 {
  138.                 return TX_OK;
  139.                 }
  140.         return 0xff;//其他原因发送失败
  141.         }

  143. //启动NRF24L01发送一次数据
  144. //txbuf:待发送数据首地址
  145. //返回值:0，接收完成；其他，错误代码
  146. u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)
  147.         {
  148.         u8 sta;                                                                              
  149.         sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS);  //读取状态寄存器的值            
  150.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志
  151.         if(sta&RX_OK)//接收到数据
  152.                 {
  153.                 NRF24L01_Read_Buf(NRF24L01_RD_RX_PLOAD,rxbuf,RX_PLOAD_WIDTH);//读取数据
  154.                 NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_FLUSH_RX,0xff);//清除RX FIFO寄存器
  155.                 return 0;
  156.                 }           
  157.         return 1;//没收到任何数据
  158.         }        
  159.                                             
  160. //该函数初始化NRF24L01到RX模式
  161. //设置RX地址,写RX数据宽度,选择RF频道,波特率和LNA HCURR
  162. //当CE变高后,即进入RX模式,并可以接收数据了                  
  163. void RX_Mode(void)
  164.         {
  165.         Clr_NRF24L01_CE;         
  166.         NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);//写RX节点地址
  167.         
  168.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_AA,0x01);    //使能通道0的自动应答   
  169.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道0的接收地址           
  170.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_CH,40);             //设置RF通信频率                  
  171.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);//选择通道0的有效数据宽度            
  172.         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   
  173.         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
  174.         Set_NRF24L01_CE; //CE为高,进入接收模式
  175.         }
  176.                                                          
  177. //该函数初始化NRF24L01到TX模式
  178. //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
  179. //PWR_UP,CRC使能
  180. //当CE变高后,即进入RX模式,并可以接收数据了                  
  181. //CE为高大于10us,则启动发送.         
  182. void TX_Mode(void)
  183.         {                                                                                                                 
  184.         Clr_NRF24L01_CE;            
  185.         NRF24L01_Write_Buf(NRF24L01_WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//写TX节点地址
  186.         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         
  187.         
  188.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_AA,0x01);     //使能通道0的自动应答   
  189.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道0的接收地址  
  190.         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
  191.         NRF24L01_Write_Reg(NRF24L01_WRITE_REG+RF_CH,40);       //设置RF通道为40
  192.         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   
  193.         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
  194.         Set_NRF24L01_CE;//CE为高,10us后启动发送
  195.         }                  
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)

平衡车卡尔曼滤波资料.zip (1.2 MB, 下载次数: 213)


作者: kingbobo    时间: 2016-6-20 08:47
好玩的东西都要MARK一下
作者: lcr39101    时间: 2016-6-20 19:55
学习，学习，谢谢
作者: 疯狂土豆儿    时间: 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        
作者: 双赢电子    时间: 2016-8-24 20:10
都是高手学习了，谢谢分享
作者: WZUOZ    时间: 2017-1-6 18:00
学习学习
作者: 八宝粥    时间: 2019-12-14 10:53
rout那一行：为什么不是pi（直立环）+PD(速度环)控制
作者: shower721    时间: 2020-1-12 00:32
学习，谢谢分享
作者: lkf_8888    时间: 2023-10-8 21:17
我看到第四横，#include，后面没有带头文件，能编译通过吗？？
作者: Loser'    时间: 2024-4-6 16:58
lcr39101 发表于 2016-6-20 19:55
学习，学习，谢谢

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