两轮自平衡小车-开源项目-智能车

[开源项目] 两轮自平衡小车

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时间：06-23 17:31 浏览：96492次

我要纠错

程序采用的是互补滤波与PID控制，感觉程序还是有一定的问题与改进空间，想着以后慢慢优化。无奈半成品状态后一直无心继续改进，期间还出现了硬盘出现故障，差点所有成果毁灭的事故；虽然作品不是很完美，跟大家共享交流一下。

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两轮自平衡小车

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详细介绍

一、前言

　　好多年前，看到电视新闻上介绍segway，很是惊叹。然后大概是2、3年前吧，看到网上有人做出了2轮自平衡小车，然后我也很想自己也做一个来玩。无奈于自己的水平有限，对硬件一窍不通，动手能力有限，故也没有做成。（那时候的加速度传感器还是每个ic一个维度的，不像现在的MPU6050一个ic就集成了6个输出量，对电路设计和手工焊接能力要求都挺高的）。
　　去年的时候吧，网上发现出现了很多加速传感器的集成模块，cortex-m3风头正盛，自己工作也算比较稳定清闲，感觉时机成熟了，便开始了两轮自平衡小车的制作，到去年底大概成型。程序采用的是互补滤波与PID控制，感觉程序还是有一定的问题与改进空间，想着以后慢慢优化。无奈半成品状态后一直无心继续改进，期间还出现了硬盘出现故障，差点所有成果毁灭的事故；虽然作品不是很完美，跟大家共享交流一下。

成品效果图：

二、硬件选择与方案设计

　　胶枪、电转、电表等耐用品工具的价格不计算在内，下列原件总共花了我大概450元吧。无意给淘宝商家做广告，所以请大家自动略过图片中的商家logo。

1. 控制板采用原子的STM32 MINI开发板，不带屏的话138元吧。遥控使用板上的红外接收器，当然理论上也可以使用板上的rf无线模块接口。

2. 方位传感器采用iic接口的9轴模块，花了我88大洋。包括加速度、角速度、气压、地磁传感器，主要是考虑到以后别的用途，如果采用6轴模块的话，应该可以降到50元以内吧。
　　自平衡小车需要使用到1个角速度分量和2个加速度分量，通过融合滤波得到较为准确的小车倾斜角度值。查看网上几年前的小车，都是使用3个独立ic搭建的，而且还是使用模拟量输入；查找网上资料，现在都是集成ic，接口主要有spi和iic，而且还有中断输入。我买的这个模块只有iic接口，而且没有中断输出，iic接口，故只能采用周期性查询方式；加速度传感器采用的是ADXL345，角速度传感器采用L3G4200D，这两个ic的手册资料是比较齐全的，便于学习。

3. 采用9v减速电机与铝合金支架、轮胎，指导价格98元。卖家给的资料有限，电机的参数不明，减速比都是自己测的。
　　经过实测，电机的减速比大概为150。感觉小车的力矩还是比较大的，但是反应速度不够快；采用减速比100的电机或是大轮胎，应该能够改善小车的动力性能。电机有两个电源输入端口，通过改变电压的正负极，可以改变电机的转动方向；通过改变驱动电压的大小，可以改变电机的转速。

4. 电机驱动模块采用全隔离的L298N驱动板，抗干扰，30元。如果不是光耦隔离的话会便宜很多。卖家给的实物和照片不太一样，有一条pwm控制线5v有效，3.3v无效，说明商家卖出之前没完整的做过测试。我自己并了个电阻搞定了，也便没有跟卖家纠缠了。
　　模块有4个逻辑控制输入端口，接控制器的4个io口，控制2个电机的转向与停止；2个pwm输入，接控制器的pwm输出，控制2个电机的转速；1个逻辑电源输入接口，从stm32控制板上取电。驱动部分，2个电源输入端口，接聚合物锂电池，考虑到5v稳压模块从电池取电，减速电机又是9v的，建议采用9v以上的电池（我采用的是12v）；4个驱动输出接2个减速电机的4个输入口。

5. 电池采用12v 3000mah的聚合物锂电池，65大洋，不包括充电器的价格。恒定放电电流可达4A，瞬间可达40A。不知道用9v的电池可不可以，当时怕电压太小，所以就没有买。据说普通的电池不能用在小车上，因为电机的瞬间电流很大，普通电池无法提供。

6. 逻辑电路5V供电模块，采用LM2596降压模块从12v锂电池取电，6元。
　　该模块的输出电压可调，我调整到了5v输出。

7. 测速码盘，1个18元。
　　为了省钱省地方，我只用了1个，有了这个就可以得到电机的速度反馈，再通过控制调整小车的速度、位置。小车的动力部分其实不一定要使用减速电机，而可以使用步进电机，这样就可以省掉编码器，而且控制性能更加良好。但这样带来的是需要采用专门的步进电机控制板，还有成本的攀升。不差钱的同志可以考虑采用步进电机方案。

8. 铜柱、洞洞板、连接线等若干。

三、 STM32F103RBT6 资源的使用：

(一)控制小车需要的端口如下：

1、2个pwm输出，用于控制2个电机的转速，我们用pwm1和pwm2表示。在此使用定时器0的两个pwm输出端口PA0和PA1。
2、4个数字gpio输出，用于控制2个电机的正方转与停止，我们用motor1-1、motor1-2、motor2-1和motor2-2表示。
3、1个数字gpio输入，用于接收红外遥控器发出的信号，我们用ir表示。
4、2个iic模拟gpio端口，用于控制获取9轴模块的数据，我们用iic-scl和iic-sda表示。
5、2个编码器信号输入接口。每个编码器需要2个接口，我只使用了1个编码器，故需要2个端口。使用了定时器4的编码器模式，故需连接到定时器4的t4ch1和t4ch2端口。

　　以上端口共11个。为了减少和板上资源的冲突，使板上的SD卡、FLASH和EEPROM等可以同时使用，11个端口经过尽心挑选，比如ir使用跳线连接到了PC1，使用与FLASH、SD卡同一个模拟iic端口等。当然，也牺牲了一些板上的功能，如：触摸屏、WK_UP按键等。如果要使用2个编码器的话，可以考虑另外使用定时器1的t1ch1和t1ch2端口或者是t1ch1n和t1ch2n。通过一定的编程技巧，理论上可以使液晶屏能够显示图像，同时不影响2个编码器的使用。

(二)板上资源的使用：

　　开发板所使用的芯片采用64管脚封装，51个可用IO。51个IO包括：PA 0-15、PB 0-15、PC 0-15、PD 0-2。板上io的使用情况与小车io对应情况如下（加*标志的表示楼主“尽量”不去占用的io端口，避免与板上资源冲突）：

PA0 -WK_UP/温度传感器 ---------------------- pwm1
PA1 -红外传感器/JF24_FIFO* ------------------ pwm2
PA2 -FLASH_CS/U2TX*
PA3 -SD_CS/U2RX*
PA4 -SPI1_NSS/NRF_CE/JF24_RST
PA5 -SPI1_SCK
PA6 -SPI1_MISO
PA7 -SPI1_MOSI
PA8-LED0* ------------t1ch1
PA9-串口1RX* ----------t1ch2
PA10-串口1TX*
PA11-USB_D- -------------------
PA12-USB_D+ --------------------
PA13-KEY0/JTAG/SWDIO/SP2*
PA14-JTAG-----------------------
PA15-KEY1/JTAG/PS2*

PB0~15-液晶数据端口
PB6   ------------t4ch1
PB7   ------------t4ch2
PB13  ------------t1ch1n
PB14  ------------t2ch2n

PC0 -T_SCK ---------- motor2-1
PC1 -T_PEN ---------- ir
PC2 -T_MISO --------- motor1-2
PC3 -T_MOSI --------- motor1-1
PC4 -NRF_CS JF24_CS
PC5 -NRF_IRQ JF24_BKT
PC6 -LCD_RD*
PC7 -LCD_WR*
PC8 -LCD_RS*
PC9 -LCD_CS*
PC10-LCD_BL*
PC11-IIC_SDA ------------------------------- iic-sda
PC12-IIC_SCL -------------------------------- iic-scl
PC13-T_CS/侵入检测/RTC输出* ----------- motor2-2
PC14-RTC晶振*
PC15-RTC晶振*

PD0 -系统晶振*
PD1 -系统晶振*
PD2 -LED1*

可以输入模拟量的io：PA0-7，PB0-1，PC0-5

四、主程序框架

　　其实一开始是想使用rt-thread操作系统的，不过这样以来就增加了程序的复杂性了。程序处于调试阶段，还是老老实实的使用大循环吧。帖几段伪代码，还有一些注释，作为程序框架的介绍。
----------------------------------------
int main(void)
{
    ~~~~//各种系统资源的初始化
    while(1)
    {
        if(tick_flag)// SysTick时钟中断每10ms使tick_flag置1。
        {//大部分程序都采用10ms的控制周期，不过也可以考虑更高的控制频率，毕竟cortex-m3的运算能力比起前人的51、avr强太多了。
            tick_flag = 0;
            balance_proc();//根据9轴模块的数据，PID调整pwm的输出
            control_proc();//读取ir输入，调整pwm的输出
        }
    }
    return 0;
}
----------------------------------------
void control_proc(void)
{
//----------遥控器反馈控制部分----------
    int i = ir_key_proc(); // 将红外接收到的按键值，转换为小车控制的相应按键值。

   switch(i)
   {
        ~~~~//根据按键值，修改pwm_speed和pwm_turn的值。
    }

pwm_turn *= 0.9; // pwm_turn的值以0.9的比例衰减，使小车在接收到一个转向信号后只转动一定的时间后停止转动。

//----------编码器反馈控制部分----------
speed = speed*0.7 +0.3*(encoder_read()); // 定周期（10ms）读取编码器数值得到实时速度，再对速度进行平滑滤波
encoder_write(0); // 编码器值重新设为0

distance += speed; // 对速度进行积分，得到移动距离

if(distance>6000) distance = 6000; // 减少小车悬空、空转对控制的影响
else if(distance<-6000) distance = -6000;

}

----------------------------------------

void balance_proc(void)
{
static unsigned int err_cnt=0;

int pwm_balance;
float radian, radian_pt; // 当前弧度及弧度的微分(角速度，角度值用弧度表示）

adxl345_read(&acc); // 读取当前加速度。由于传感器按照的位置原因，传感器的值在函数内部经过处理，变为小车的虚拟坐标系。
l3g4200d_read(&gyr); // 读取当前角速度。同样经过坐标系变换。

// 此段程序用于传感器出错时停止小车
   err_cnt = err_cnt*115>>7; // err_cnt以0.9的比例系数衰减(115>>7的值约为0.9，避免浮点数，提高速度)
   if(acc.flag != 0x0F || gyr.flag != 0x0F)   // 读取的角度、角速度值有误。可能是电磁干扰、iic线太长等导致出错。
   {
         LED0_ON();  // 亮红灯
         err_cnt +=100; // 等比数列，比例系数0.9(115>>7)，常数项100；根据公式，连续10项的和约为657
         if(err_cnt>657) goto err; // 当连续发生约10次（约0.1秒）错误则超过657而溢出。
    }

// 此段程序用于倒立或失重时停止小车
   if(acc.z<=0)
   {
         goto err;
   }

// 小车的虚拟x轴方向为小车前进方向，虚拟y轴为小车左边，虚拟z轴为小车上升方向。
// 前倾角度为负，后倾角度为正。
// 通过计算加速度分量，得到小车倾斜弧度（未滤波）
   radian = (float)(acc.x)/acc.z; // 一阶展开：Q =f(x)=x-x^3/3+x^5/5+...+(-1)^k*x^(2k+1)/(2k+1)+...
// 通过角速度传感器，得到小车的角速度（单位为弧度/秒）
   radian_pt = gyr.y*RADPT;
   radian_filted = ofme_filter(radian_filted, radian, radian_pt);  // 互补滤波得到小车的倾斜角度

// 此段程序用于小车倾斜角度过大时，停止小车
   if(radian_filted> ANGLE_RANGE_MAX || radian_filted<ANGLE_RANGE_MIN)
   {
         goto err;
   }

// 通过PID计算，得到保持小车角度为零所需要的电机pwm输出
pwm_balance = pid_proc(&sPID, radian_filted, radian_pt);
//小车角度为零不代表小车重心为零，还需要通过小车移动速度与移动距离等信息，调整小车平衡所需的pwm输出
pwm_balance += (speed*6+distance*0.1);

// 在pwm_balance的基础上，加上速度分量与转动分量，调整小车两个电机的转速。
pwm_control(pwm_balance+pwm_speed+pwm_turn, pwm_balance+pwm_speed-pwm_turn);

// 如果pwm超出有效值，红灯亮。用于调试，了解系统状态。
   if(pwm_balance>=1000||pwm_balance<=-1000) LED1_ON();
   LED0_OFF();
   return;
err:
    puts("balance error.\r\n");
   pwm_control(0, 0);       // 关闭电机
   return;
}

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程序列表说明：