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標題: 兩輪自平衡小車設計資料大全 含源碼 [打印本頁]

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作者: qqyy123232    時間: 2018-12-6 19:18
標題: 兩輪自平衡小車設計資料大全 含源碼
平衡小車資料大全


單片機源程序如下:

1. #include "sys.h"
   
2. #include "usart.h"               
   
3. //#include "delay.h"       
   
4. 
   
5. // 編碼器：100線；電機減速比：150
   
6. 
   
7. #include "ofme_led.h"
   
8. 
   
9. 
   
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"
    
19. 
    
20. #define PI (3.14159265)
    
21. // 度數表示的角速度*1000
    
22. #define MDPS (70)
    
23. // 弧度表示的角速度
    
24. #define RADPS ((float)MDPS*PI/180000)
    
25. // 每個查詢周期改變的角度
    
26. #define RADPT (RADPS/(-100))
    
27. 
    
28. 
    
29. // 平衡的角度范圍；+-60度(由于角度計算采用一階展開，實際值約為46度)
    
30. #define ANGLE_RANGE_MAX (60*PI/180)
    
31. #define ANGLE_RANGE_MIN (-60*PI/180)
    
32. 
    
33. // 全局變量
    
34. pid_s sPID;                                        // PID控制參數結構體
    
35. float radian_filted=0;                // 濾波后的弧度
    
36. accelerometer_s acc;                // 加速度結構體，包含3維變量
    
37. gyroscope_s gyr;                        // 角速度結構體，包含3維變量
    
38. int speed=0, distance=0;        // 小車移動的速度，距離
    
39. int tick_flag = 0;                        // 定時中斷標志
    
40. int pwm_speed = 0;                        // 電機pwm控制的偏置值，兩個電機的大小、正負相同，使小車以一定的速度前進
    
41. int pwm_turn = 0;                        // 電機pwm控制的差異值，兩個電機的大小相同，正負相反，使小車左、右轉向
    
42. float angle_balance = 0;        // 小車的平衡角度。由于小車重心的偏移，小車的平衡角度不一定是radian_filted為零的時候
    
43. 
    
44. 
    
45. // 定時器周期中斷，10ms
    
46. void sys_tick_proc(void)
    
47. {
    
48.         static unsigned int i = 0;
    
49. 
    
50.         tick_flag++;
    
51. 
    
52.         i++;
    
53.         if(i>=100) i=0;
    
54. 
    
55.         if(i==0)                   // 綠燈的閃爍周期為1秒
    
56.         {
    
57.                 LED1_OFF();
    
58.         }
    
59.         else if(i==50)
    
60.         {
    
61.                 LED1_ON();
    
62.         }
    
63. }
    
64. 
    
65. void control_proc(void)
    
66. {
    
67.         int i = ir_key_proc(); // 將紅外接收到的按鍵值，轉換為小車控制的相應按鍵值。
    
68. 
    
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.         }
     
119. 
     
120.         pwm_turn *= 0.9;        // pwm_turn的值以0.9的比例衰減，使小車在接收到一個轉向信號后只轉動一定的時間后停止轉動。
     
121. 
     
122. 
     
123.         speed = speed*0.7 +0.3*(encoder_read());        // 定周期（10ms）讀取編碼器數值得到實時速度，再對速度進行平滑濾波
     
124.         if(speed!=0)
     
125.         {
     
126.                 printf("speed: %d, dst: %d, pwm: %d \r\n", speed,distance,(int)(speed*6+distance*0.1));
     
127.         }
     
128. 
     
129. 
     
130. 
     
131.         encoder_write(0);                                                        // 編碼器值重新設為0
     
132. 
     
133.         distance += speed;                                                        // 對速度進行積分，得到移動距離
     
134. 
     
135.         if(distance>6000) distance = 6000;                        // 減少小車懸空、空轉對控制的影響
     
136.         else if(distance<-6000) distance = -6000;
     
137. 
     
138. }
     
139. 
     
140. void balance_proc(void)
     
141. {
     
142.         static unsigned int err_cnt=0;
     
143. 
     
144. //        float tFloat;
     
145.         int pwm_balance;
     
146. //        static float angle;
     
147. //        float angle_t;
     
148.         float radian, radian_pt;          // 當前弧度及弧度的微分(角速度，角度值用弧度表示）
     
149. 
     
150.         adxl345_read(&acc);                        // 讀取當前加速度。由于傳感器按照的位置原因，傳感器的值在函數內部經過處理，變為小車的虛擬坐標系。
     
151.         l3g4200d_read(&gyr);                // 讀取當前角速度。同樣經過坐標系變換。
     
152. 
     
153. 
     
154. // 此段程序用于傳感器出錯時停止小車
     
155.         err_cnt = err_cnt*115>>7;        // err_cnt以0.9的比例系數衰減(115>>7的值約為0.9，避免浮點數，提高速度)
     
156.         if(acc.flag != 0x0F || gyr.flag != 0x0F)   // 讀取的角度、角速度值有誤。可能是電磁干擾、iic線太長等導致出錯。
     
157.         {
     
158.                 LED0_ON();                // 亮紅燈
     
159.                 err_cnt +=100;        // 等比數列，比例系數0.9(115>>7)，常數項100；根據公式，連續10項的和約為657
     
160.                 if(err_cnt>657) goto err;        // 當連續發生約10次（約0.1秒）錯誤則超過657而溢出。
     
161.         }
     
162. 
     
163. 
     
164. // 此段程序用于倒立或失重時停止小車
     
165.         if(acc.z<=0)
     
166.         {
     
167.                 goto err;
     
168.         }
     
169. 
     
170. 
     
171. // 小車的虛擬x軸方向為小車前進方向，虛擬y軸為小車左邊，虛擬z軸為小車上升方向。
     
172. // 前傾角度為負，后傾角度為正。
     
173.         // 通過計算加速度分量，得到小車傾斜弧度（未濾波）
     
174.         radian = (float)(acc.x)/acc.z;        //  一階展開：Q =f(x)=x-x^3/3+x^5/5+...+(-1)^k*x^(2k+1)/(2k+1)+...
     
175.         // 通過角速度傳感器，得到小車的角速度（單位為 弧度/秒）
     
176.         radian_pt = gyr.y*RADPT;
     
177.         radian_filted = ofme_filter(radian_filted, radian, radian_pt);                // 互補濾波得到小車的傾斜角度
     
178. 
     
179. // 此段程序用于小車傾斜角度過大時，停止小車
     
180.         if(radian_filted> ANGLE_RANGE_MAX || radian_filted<ANGLE_RANGE_MIN)
     
181.         {
     
182.                 goto err;
     
183.         }
     
184. 
     
185. // 通過PID計算，得到保持小車角度為零所需要的電機pwm輸出
     
186.         pwm_balance = pid_proc(&sPID, radian_filted, radian_pt);
     
187.         //        printf("%d\r\n",speed);
     
188. // 通過小車移動速度與移動距離，調整小車平衡所需的pwm輸出
     
189.         pwm_balance += (speed*6+distance*0.1);
     
190. 
     
191. // 在pwm_balance的基礎上，加上速度分量與轉動分量，調整小車兩個電機的轉速。
     
192.         pwm_control(pwm_balance+pwm_speed+pwm_turn, pwm_balance+pwm_speed-pwm_turn);
     
193. 
     
194. // 如果pwm超出有效值，紅燈亮。用于調試，了解系統狀態。
     
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);                                   // 關閉電機
     
201.         return;
     
202. }
     
203. 
     
204. 
     
205. int main(void)
     
206. {
     
207. //        int i=0, t;
     
208. //        int pwm;
     
209. //        float radian, radian_pt;
     
210. 
     
211.           Stm32_Clock_Init(9);//系統時鐘設置
     
212.         uart_init(72,57600); //串口1初始化   
     
213.         hw_tick_start();   // 定時器周期性中斷，用于提供系統脈搏
     
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());
     
228. 
     
229.                 }
     
230.         }
     
231. 
     
232. 
     
233. 
     
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);          // 調節PID參數，后3個形參分別為：比例系數P，積分系數I，微分系數D
     
238.         sPID.target = -3.5*PI/180;
     
239. 
     
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();        // 調節小車，保持平衡
     
249.                         control_proc();        // 根據遙控接收到的數據，調整電機輸出參數
     
250.                 }
     
251.         }
     
252. }
     

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