STM32-pid平衡车

STM32-pid平衡车详细教学

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本文是基于stm32f103c8t6单片机开发的平衡小车项目。这个项目常用于广大学子的pid算法的入门项目，我认为pid应用并非很难，重要的是调参。所以调参的过程很重要。而且平衡车也相对简单，也以选择它作为学完32后的第一个项目（本人就是）。本人的小车添加了直立环，速度环和转向环。最后有源码和调好的视频。

一.下面介绍平衡车的硬件：

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• 1.一个开发板或者用面包板也可以，开发板可以自己嘉立创打板，也可以选择淘宝的亚博智能科技的开发板。
• 2.两个编码电机（520,370都可以，只要有编码器就行），或者买直流电机再买编码器，也是可以的。
• Ps：如果买亚博智能科技的板子，需要买他家的电机，因为别的商家的电机接口不一样！
• 3.tb6612电机驱动不多说，买个10多块的，不要图便宜买几块的，到时候小车抽搐就难受了。
• 4.hc-06蓝牙通信模块，用于手机控制小车，也可用上位机调参。
• 5.Mpu605陀螺仪模块，这个模块用于测量小车的三维的各种参数。
• 6.12v可充电的锂电池，开发板应有降压模块。
• 7.Oled0.96屏幕，可有可无。
• 8.车模（轮胎等等）。
• 9.St-link下载器（也有可用J-link等下载器）。
• 10.如果要加避障功能，可以购买超声波避障模块。
• 11.适当的杜邦线，螺丝刀，电池充电器等等基础器件。

ps：可能说的不全，如果有遗漏根据自己的需求自行购买。 贴一张组装好的照片

二.介绍用到的单片机软件资源：

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• 1.3个通用定时器分别是：TIM2，TIM3，TIM3.
• 2.1个usart3串口
• 3.Oled和Mpu6050的软件模拟IIC通信

三.介绍主要硬件模块的使用方式：

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• 1.tb6612： 下面是tb6612的引脚图

  

PwmA和PwmB是要从单片机输入的两个pwm波接收口，Ain1，Ain2为PwmA的io控制，对应的为右边的A01，A02，通过控制两个io口的高低电平来控制电机的正反转。同理PwmB也是如此。至于Vcc和Gnd是用来上电的（要共地）。STBY接5V/3.3V，VM接12V即可.

• 2.电机编码器：

  

  这个图片已经介绍的很清楚了，有的电机接口不一样，要注意。
• 3.mpu6050：这个模块涉及太多,简单应用可以去看b站江科大的mpu6050， https://blog.csdn.net/weixin_41640116/article/details/104878646 这是更加详细的介绍，有需要可以去看看。

四.下面是各个软件资源的分配：

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• 1.TIM2：输出两路pwm波，开启定时中断，再次中断中存放着最主要的电机控制程序，周期应该最好不要超过10us。
• 2.TIM3和TIM4为读取两个电机的编码值。
• 3.Usart3用于与手机相连接。

五.接着介绍最主要的pid部分：

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六．Pid代码：

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1.三环变量声明：

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extern float Kp,Ki,Kd;   //直立环参数
float err;               //此次误差
float last_err;          //上次误差
float err_sum=0;         //误差累加
float err_difference;    //误差的差值

extern float VKp,VKi;    //速度环参数
float err2;               //此次误差
float filt_velocity;     //滤波后的速度
float last_filt_velocity;//上一次的滤波后的速度
//float velocity_err_sum=0;    //速度的累加
float velocity_sum;

extern float tkp,tkd;//转向环
float yaw_err,yaw_err_differnence,last_yaw_err;

2.直立环：

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//直立环：
int vertical_PID_value(float measure,float calcu)
{

   err = measure - calcu;             //误差
   err_sum+=err;                      //误差的累加
   err_difference = err - last_err;   //误差的差值
   last_err = err;                    //此次误差记录为“上次误差”
   
   return Kp*err + Ki*err_sum + Kd*err_difference;
}

3.速度环:

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//速度环：
int velocity_PID_value(int velocity_measure,int velocity_calcu)
{
   float a=0.3; 	//滤波系数（反映滤波程度）
   err2=velocity_measure-velocity_calcu;
   filt_velocity = a*err2 + (1-a)*last_filt_velocity; //一阶速度滤波
   
   velocity_sum+=  filt_velocity;                        //速度的累加
   I_xianfu(&velocity_sum,3000);                         //累加限幅,调参时可以去掉
   last_filt_velocity = filt_velocity;                   //此次速度记录为“上次速度”

   return VKp*filt_velocity + VKi*velocity_sum;
}


//I限幅：
void I_xianfu(float *velocity_sum,int max)
{
   if(*velocity_sum>max)  *velocity_sum=max;
   if(*velocity_sum<-max) *velocity_sum=-max;
}

4.转向环:

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//转向环
int yaw_pid_value(float yaw_measure,float yaw_calcu){ 

   yaw_err=yaw_measure-yaw_calcu;
   
   //防止临界突然转动,改变系统稳定
   if(yaw_err>=180){yaw_err-=360;}
   if(yaw_err<-180){yaw_err+=360;}
   
   yaw_err_differnence=yaw_err-last_yaw_err;
   last_yaw_err=yaw_err;
   return tkp*yaw_err+tkd*yaw_err_differnence;
}

七．Pid调参：

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PS：极性就是参数符号的正负。 （所有调参时初始参数为0，一点一点加，调极性时所有环的pid参数初始为0）

1.直立环：

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• 确立极性；给P一定的值，如果发现小车有缓慢摔倒而不是促进摔倒的话，证明极性正确。
• P值；P值不断加大直到出现低频抖动。
• D值：D值增加后发现有一定的平衡性，加到小车可以平稳的直立，但注意此时是假平衡，他只可以站立一会，所以速度环弥补，为了引用速度环还要增加D值，知道出现低频的快速抖动，注意要及时关闭电机，防止电机电流过大损坏电机或其他器件。

2.速度环（正反馈）：

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• 确定极性：给一定P值，用手转动轮子，轮子很快的转动起来，证明极性正确，否则你会发现有一股力阻止你转动轮子。
• 工程经验：多年来总结的经验，加入速度环之前应将直立环的参数调成原来的0.6倍。
• 增大PI值：速度环P=200*I，根据此关系可以一起调两个值，逐渐增大，直到出现平稳状态，如果出现一些抖动，可适当增大直立环的D值来抑制系统。

3.转向环：

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• 还是要确定极性：和速度环差不多。
• 调参：首先转向环可以有三种组合方式: 纯p控制，p+d控制，p+d+i控制。如果只有p，调法很简单，极性确认完之后，p从0往上加，直到你满意的效果为止。如果p大了，就会出现过冲现象，即给小车一个角度理论值后(或者用手拨弄一下小车)车头会左右摆动几下才稳定，此时就可以加入d来抑制过冲，也是从0开始往上加，观察到过冲越来越小，直到你满意为止，如果d太大了，小车会抽搐(高频率小幅度震荡)，要避免这种现象发生，这就是最常用的p+d控制。如果你想追求更高的精度，消除稳态误差，那么加一点点i就可以了，即p+d+i控制，不过这个稳态误差一般可以忽略不计，如果你稳态误差很大，考虑是不是p太小了。

PS：调参视频：可观看

或者

八.控制代码部分

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void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
		if(MPU6050_DMP_Get_Data(&pitch,&roll,&yaw)==0)
	{ 	
			
			measure = roll;                                     //roll测量值
			calcu = zhongzhi;                                   //roll理论值
			measure_yaw=yaw;
			velocity = ( read_encoder2() + read_encoder1() )/2; //速度测量值      
		
		  //PID计算：直立环+速度环
			PWM = vertical_PID_value(measure, calcu) + 1.88555*velocity_PID_value(velocity,ad_v);
			//1.88555这个系数可以有也可没有,用pid参数可以弥补,1.88555就是我大概试出来的一个范围然后瞎打的
			PWM_yaw=yaw_pid_value(measure_yaw,calcu_yaw);
			
			//转向环计算
			pwm_left=PWM-PWM_yaw;
			pwm_right=PWM+PWM_yaw;		
		
			PWM_Xianfu(5000,&PWM);      //PWM限幅,速度环调参时可以先去掉
			
			SETPWM_left(pwm_left);SETPWM_right(pwm_right);
			if(motor_flag) {SETPWM_left(pwm_left);SETPWM_right(pwm_right);} //给电机PWM
			else           {SETPWM_left(0);SETPWM_right(0);} //关闭电机		
	}
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
	}
}

9.成功视频

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视频中的蓝牙调试助手随便一找就有，作者在这里就不贴链接了(因为作者也找不着了)

点此获取源码：

有问题主页联系作者或者邮箱：1039214848@qq.com