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作者：平衡小車之家
產(chǎn)品名稱：Minibalance For Arduino
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#include <DATASCOPE.h> //這是PC端上位機的庫文件
#include <PinChangeInt.h> //外部中斷
#include <MsTimer2.h> //定時中斷
#include <KalmanFilter.h> //卡爾曼濾波
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"//MPU6050庫文件
#include "Wire.h"
#include <EEPROM.h>
MPU6050 Mpu6050; //實例化一個 MPU6050 對象，對象名稱為 Mpu6050
DATASCOPE data;//實例化一個上位機對象，對象名稱為 data
KalmanFilter KalFilter;//實例化一個卡爾曼濾波器對象，對象名稱為 KalFilter
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz; //MPU6050的三軸加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)
#define KEY 3 //按鍵引腳
#define IN1 12 //TB6612FNG驅(qū)動模塊控制信號共6個
#define IN2 13
#define IN3 7
#define IN4 6
#define PWMA 10
#define PWMB 9
#define ENCODER_L 2 //編碼器采集引腳每路2個共4個
#define DIRECTION_L 5
#define ENCODER_R 4
#define DIRECTION_R 8
#define ZHONGZHI 0//小車的機械中值 DIFFERENCE
#define DIFFERENCE 2
int Balance_Pwm, Velocity_Pwm, Turn_Pwm; //直立速度轉(zhuǎn)向環(huán)的PWM
int Motor1, Motor2; //電機疊加之后的PWM
float Battery_Voltage; //電池電壓單位是V
volatile long Velocity_L, Velocity_R = 0; //左右輪編碼器數(shù)據(jù)
int Velocity_Left, Velocity_Right = 0; //左右輪速度
int Flag_Qian, Flag_Hou, Flag_Left, Flag_Right; //遙控相關(guān)變量
int Angle, Show_Data,PID_Send; //用于顯示的角度和臨時變量
unsigned char Flag_Stop = 1,Send_Count,Flash_Send; //停止標志位和上位機相關(guān)變量
float Balance_Kp=15,Balance_Kd=0.4,Velocity_Kp=2,Velocity_Ki=0.01;
//***************下面是卡爾曼濾波相關(guān)變量***************//
float K1 = 0.05; // 對加速度計取值的權(quán)重
float Q_angle = 0.001, Q_gyro = 0.005;
float R_angle = 0.5 , C_0 = 1;
float dt = 0.005; //注意：dt的取值為濾波器采樣時間 5ms
int addr = 0;
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函數(shù)功能：檢測小車是否被拿起
入口參數(shù)：Z軸加速度平衡傾角左輪編碼器右輪編碼器
返回值：0：無事件 1：小車被拿起
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int Pick_Up(float Acceleration, float Angle, int encoder_left, int encoder_right){
static unsigned int flag, count0, count1, count2;
if (flag == 0) //第一步
{
if (abs(encoder_left) + abs(encoder_right) < 15) count0++; //條件1，小車接近靜止
else count0 = 0;
if (count0 > 10) flag = 1, count0 = 0;
}
if (flag == 1) //進入第二步
{
if (++count1 > 400) count1 = 0, flag = 0; //超時不再等待2000ms
if (Acceleration > 27000 && (Angle > (-14 + ZHONGZHI)) && (Angle < (14 + ZHONGZHI))) flag = 2; //條件2，小車是在0度附近被拿起
}
if (flag == 2) //第三步
{
if (++count2 > 200) count2 = 0, flag = 0; //超時不再等待1000ms
if (abs(encoder_left + encoder_right) > 300) //條件3，小車的輪胎因為正反饋達到最大的轉(zhuǎn)速
{
flag = 0; return 1;
}
}
return 0;
}
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函數(shù)功能：檢測小車是否被放下作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：平衡傾角左輪編碼器右輪編碼器
返回值：0：無事件 1：小車放置并啟動
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int Put_Down(float Angle, int encoder_left, int encoder_right){
static u16 flag, count;
if (Flag_Stop == 0) return 0; //防止誤檢
if (flag == 0)
{
if (Angle > (-10 + ZHONGZHI) && Angle < (10 + ZHONGZHI) && encoder_left == 0 && encoder_right == 0) flag = 1; //條件1，小車是在0度附近的
}
if (flag == 1)
{
if (++count > 100) count = 0, flag = 0; //超時不再等待 500ms
if (encoder_left > 12 && encoder_right > 12 && encoder_left < 80 && encoder_right < 80) //條件2，小車的輪胎在未上電的時候被人為轉(zhuǎn)動
{
flag = 0;
flag = 0;
return 1; //檢測到小車被放下
}
}
return 0;
}
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函數(shù)功能：異常關(guān)閉電機作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：傾角和電池電壓
返回值：1：異常 0：正常
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unsigned char Turn_Off(float angle, float voltage)
{
unsigned char temp;
if (angle < -40 || angle > 40 || 1 == Flag_Stop || voltage < 11.1) //電池電壓低于11.1V關(guān)閉電機 //===傾角大于40度關(guān)閉電機//===Flag_Stop置1關(guān)閉電機
{
temp = 1;
analogWrite(PWMA, 0); //PWM輸出為0
analogWrite(PWMB, 0); //PWM輸出為0
}
else temp = 0; //不存在異常，返回0
return temp;
}
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函數(shù)功能：虛擬示波器往上位機發(fā)送數(shù)據(jù) 作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：無
返回值：無
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void DataScope(void)
{
int i;
data.DataScope_Get_Channel_Data(Angle, 1); //顯示第一個數(shù)據(jù)，角度
data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Left, 2);//顯示第二個數(shù)據(jù)，左輪速度也就是每40ms輸出的脈沖計數(shù)
data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Right, 3);//顯示第三個數(shù)據(jù)，右輪速度也就是每40ms輸出的脈沖計數(shù)
data.DataScope_Get_Channel_Data(Battery_Voltage, 4);//顯示第四個數(shù)據(jù)，電池電壓，單位V
Send_Count = data.DataScope_Data_Generate(4);
for ( i = 0 ; i < Send_Count; i++)
{
Serial.write(DataScope_OutPut_Buffer[i]);
}
delay(50); //上位機必須嚴格控制發(fā)送時序
}
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函數(shù)功能：按鍵掃描作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：無
返回值：按鍵狀態(tài)，1：單擊事件，0：無事件。
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unsigned char My_click(void){
static unsigned char flag_key = 1; //按鍵按松開標志
unsigned char Key;
Key = digitalRead(KEY); //讀取按鍵狀態(tài)
if (flag_key && Key == 0) //如果發(fā)生單擊事件
{
flag_key = 0;
return 1; // 單擊事件
}
else if (1 == Key) flag_key = 1;
return 0;//無按鍵按下
}
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函數(shù)功能：直立PD控制作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：角度、角速度
返回值：直立控制PWM
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int balance(float Angle, float Gyro)
{
float Bias;
int balance;
Bias = Angle - 0; //===求出平衡的角度中值和機械相關(guān)
balance = Balance_Kp * Bias + Gyro * Balance_Kd; //===計算平衡控制的電機PWM PD控制 kp是P系數(shù) kd是D系數(shù)
return balance;
}
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函數(shù)功能：速度PI控制作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：左輪編碼器、右輪編碼器
返回值：速度控制PWM
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int velocity(int encoder_left, int encoder_right)
{
static float Velocity, Encoder_Least, Encoder, Movement;
static float Encoder_Integral, Target_Velocity;
float kp = 2, ki = kp / 200; //PI參數(shù)
if ( Flag_Qian == 1)Movement = 600;
else if ( Flag_Hou == 1)Movement = -600;
else //這里是停止的時候反轉(zhuǎn)，讓小車盡快停下來
{
Movement = 0;
if (Encoder_Integral > 300) Encoder_Integral -= 200;
if (Encoder_Integral < -300) Encoder_Integral += 200;
}
//=============速度PI控制器=======================//
Encoder_Least = (encoder_left + encoder_right) - 0; //===獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）-目標速度（此處為零）
Encoder *= 0.7; //===一階低通濾波器
Encoder += Encoder_Least * 0.3; //===一階低通濾波器
Encoder_Integral += Encoder; //===積分出位移積分時間：40ms
Encoder_Integral = Encoder_Integral - Movement; //===接收遙控器數(shù)據(jù)，控制前進后退
if (Encoder_Integral > 21000) Encoder_Integral = 21000; //===積分限幅
if (Encoder_Integral < -21000) Encoder_Integral = -21000; //===積分限幅
Velocity = Encoder * Velocity_Kp + Encoder_Integral * Velocity_Ki; //===速度控制
if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 1 || Flag_Stop == 1) Encoder_Integral = 0;//小車停止的時候積分清零
return Velocity;
}
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函數(shù)功能：轉(zhuǎn)向控制作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：Z軸陀螺儀
返回值：轉(zhuǎn)向控制PWM
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int turn(float gyro)//轉(zhuǎn)向控制
{
static float Turn_Target, Turn, Turn_Convert = 3;
float Turn_Amplitude = 80, Kp = 2, Kd = 0.001; //PD參數(shù)
if (1 == Flag_Left) Turn_Target += Turn_Convert; //根據(jù)遙控指令改變轉(zhuǎn)向偏差
else if (1 == Flag_Right) Turn_Target -= Turn_Convert;//根據(jù)遙控指令改變轉(zhuǎn)向偏差
else Turn_Target = 0;
if (Turn_Target > Turn_Amplitude) Turn_Target = Turn_Amplitude; //===轉(zhuǎn)向速度限幅
if (Turn_Target < -Turn_Amplitude) Turn_Target = -Turn_Amplitude;
Turn = -Turn_Target * Kp + gyro * Kd; //===結(jié)合Z軸陀螺儀進行PD控制
return Turn;
}
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函數(shù)功能：賦值給PWM寄存器作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：左輪PWM、右輪PWM
返回值：無
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void Set_Pwm(int moto1, int moto2)
{
if (moto1 > 0) digitalWrite(IN1, HIGH), digitalWrite(IN2, LOW); //TB6612的電平控制
else digitalWrite(IN1, LOW), digitalWrite(IN2, HIGH); //TB6612的電平控制
analogWrite(PWMA, abs(moto1)); //賦值給PWM寄存器
if (moto2 < 0) digitalWrite(IN3, HIGH), digitalWrite(IN4, LOW); //TB6612的電平控制
else digitalWrite(IN3, LOW), digitalWrite(IN4, HIGH); //TB6612的電平控制
analogWrite(PWMB, abs(moto2));//賦值給PWM寄存器
}
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函數(shù)功能：限制PWM賦值作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：無
返回值：無
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void Xianfu_Pwm(void)
{
int Amplitude = 250; //===PWM滿幅是255 限制在250
if(Flag_Qian==1) Motor2-=DIFFERENCE; //DIFFERENCE是一個衡量平衡小車電機和機械安裝差異的一個變量。直接作用于輸出，讓小車具有更好的一致性。
if(Flag_Hou==1) Motor2-=DIFFERENCE-2;
if (Motor1 < -Amplitude) Motor1 = -Amplitude;
if (Motor1 > Amplitude) Motor1 = Amplitude;
if (Motor2 < -Amplitude) Motor2 = -Amplitude;
if (Motor2 > Amplitude) Motor2 = Amplitude;
}
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函數(shù)功能：5ms控制函數(shù) 核心代碼作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：無
返回值：無
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void control()
{
static int Velocity_Count, Turn_Count, Encoder_Count;
static float Voltage_All,Voltage_Count;
int Temp;
sei();//全局中斷開啟
Mpu6050.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //獲取MPU6050陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)
KalFilter.Angletest(ax, ay, az, gx, gy, gz, dt, Q_angle, Q_gyro, R_angle, C_0, K1); //通過卡爾曼濾波獲取角度
Angle = KalFilter.angle;//Angle是一個用于顯示的整形變量
Balance_Pwm = balance(KalFilter.angle, KalFilter.Gyro_x);//直立PD控制控制周期5ms
if (++Velocity_Count >= 8) //速度控制，控制周期40ms
{
Velocity_Left = Velocity_L; Velocity_L = 0; //讀取左輪編碼器數(shù)據(jù)，并清零，這就是通過M法測速（單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)）得到速度。
Velocity_Right = Velocity_R; Velocity_R = 0; //讀取右輪編碼器數(shù)據(jù)，并清零
Velocity_Pwm = velocity(Velocity_Left, Velocity_Right);//速度PI控制，控制周期40ms
Velocity_Count = 0;
}
if (++Turn_Count >= 4)//轉(zhuǎn)向控制，控制周期20ms
{
Turn_Pwm = turn(gz);
Turn_Count = 0;
}
Motor1 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm + Turn_Pwm; //直立速度轉(zhuǎn)向環(huán)的疊加
Motor2 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm - Turn_Pwm; //直立速度轉(zhuǎn)向環(huán)的疊加
Xianfu_Pwm();//限幅
if (Pick_Up(az, KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right)) Flag_Stop = 1; //===如果被拿起就關(guān)閉電機//===檢查是否小車被那起
if (Put_Down(KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right)) Flag_Stop = 0; //===檢查是否小車被放下
if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 0) Set_Pwm(Motor1, Motor2);//如果不存在異常，賦值給PWM寄存器控制電機
if (My_click()) Flag_Stop = !Flag_Stop; //中斷剩余的時間掃描一下按鍵狀態(tài)
Temp = analogRead(0); //采集一下電池電壓
Voltage_Count++; //平均值計數(shù)器
Voltage_All+=Temp; //多次采樣累積
if(Voltage_Count==200) Battery_Voltage=Voltage_All*0.05371/200,Voltage_All=0,Voltage_Count=0;//求平均值
}
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函數(shù)功能：初始化相當于STM32里面的Main函數(shù) 作者：平衡小車之家
入口參數(shù)：無
返回值：無
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void setup() {
pinMode(IN1, OUTPUT); //TB6612控制引腳，控制電機1的方向，01為正轉(zhuǎn)，10為反轉(zhuǎn)
pinMode(IN2, OUTPUT); //TB6612控制引腳，
pinMode(IN3, OUTPUT); //TB6612控制引腳，控制電機2的方向，01為正轉(zhuǎn)，10為反轉(zhuǎn)
pinMode(IN4, OUTPUT); //TB6612控制引腳，
pinMode(PWMA, OUTPUT); //TB6612控制引腳，電機PWM
pinMode(PWMB, OUTPUT); //TB6612控制引腳，電機PWM
digitalWrite(IN1, 0); //TB6612控制引腳拉低
digitalWrite(IN2, 0); //TB6612控制引腳拉低
digitalWrite(IN3, 0); //TB6612控制引腳拉低
digitalWrite(IN4, 0); //TB6612控制引腳拉低
analogWrite(PWMA, 0); //TB6612控制引腳拉低
analogWrite(PWMB, 0); //TB6612控制引腳拉低
pinMode(2, INPUT); //編碼器引腳
pinMode(4, INPUT); //編碼器引腳
pinMode(5, INPUT); //編碼器引腳
pinMode(8, INPUT); //編碼器引腳
pinMode(3, INPUT); //按鍵引腳
Wire.begin(); //加入 IIC 總線
Serial.begin(9600); //開啟串口，設置波特率為 9600
delay(1500); //延時等待初始化完成
Mpu6050.initialize(); //初始化MPU6050
delay(20);
if(digitalRead(KEY)==0) { //讀取EEPROM的參數(shù)
Balance_Kp = (float)((EEPROM.read(addr+0)*256)+EEPROM.read(addr+1) )/100;
Balance_Kd = (float)((EEPROM.read(addr+2)*256)+EEPROM.read(addr+3))/100;
Velocity_Kp = (float)((EEPROM.read(addr+4)*256)+EEPROM.read(addr+5))/100;
Velocity_Ki = (float)((EEPROM.read(addr+6)*256)+EEPROM.read(addr+7))/100;
}
MsTimer2::set(5, control); //使用Timer2設置5ms定時中斷
MsTimer2::start(); //使用中斷使能
attachInterrupt(0, READ_ENCODER_L, CHANGE); //開啟外部中斷編碼器接口1
attachPinChangeInterrupt(4, READ_ENCODER_R, CHANGE); //開啟外部中斷編碼器接口2
}
/**************************************************************************
函數(shù)功能：主循環(huán)程序體
入口參數(shù)：無
返回值：無
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void loop() {
int Voltage_Temp;
static unsigned char flag;
unsigned char Balance_Kp_Temp=0,Balance_Kd_Temp=0,Velocity_Kp_Temp=0,Velocity_Ki_Temp=0;
Voltage_Temp = (Battery_Voltage - 11.1) * 60; //根據(jù)APP的協(xié)議對電池電壓變量進行處理
if (Voltage_Temp > 100)Voltage_Temp = 100;
if (Voltage_Temp < 0)Voltage_Temp = 0;
if (Flag_Stop == 0)
{
Serial.begin(9600); //開啟串口，設置波特率為 9600
flag=!flag;
if(PID_Send==1)//發(fā)送PID參數(shù)
{
Serial.print("{C");
Serial.print((int)(Balance_Kp*100)); //左輪編碼器
Serial.print(":");
Serial.print((int)(Balance_Kd*100)); //右輪編碼器
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