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兩輪自平衡小車設計資料大全 含源碼

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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"       

  5. // 編碼器：100線；電機減速比：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))


  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)

  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


  45. // 定時器周期中斷，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)                   // 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. }

  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。

  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。


  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.         }



  131.         encoder_write(0);                                                        // 編碼器值重新設為0

  133.         distance += speed;                                                        // 對速度進行積分，得到移動距離

  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;

  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;          // 當前弧度及弧度的微分(角速度，角度值用弧度表示）

  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。


  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�？赡苁请姶鸥蓴_、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.         }


  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.         }


  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

  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.         }

  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);

  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);

  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. }


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

  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());

  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);          // 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;

  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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