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单片机

教你做一个属于自己的平衡小车，用STM32F103单片机实现（代码篇）

平衡小车软件篇

平衡小车硬件篇

目录

一、定时器相关代码

1、TIM2

2、TIM3和TIM4

二、中断相关代码

三、电机相关代码

四、OLED屏幕和MUP6050相关代码

五、PID函数

1、直立环

2、速度环

3、转向环

六、控制函数

七、扩展篇

八、效果展示

 说明：本篇文章适用于有点STM32单片机基础，和有相关的硬件基础，并且想做一个小项目的人，可以作为一个参考，当然了没有基础的也可以

如果需要代码的话可以私聊我，供参考

下面就进行我们的代码部分

一、定时器相关代码

我这里使用了三个定时器，分别是TIM2,TIM3,TIM4，定时器2用于产生两路PWM波，用来控制小车的速度，TIM3和TIM4用来对编码器的脉冲进行计数，实现电机的闭环控制。

1、TIM2

#include "pwm.h"

void PWM_Init_TIM2(u16 psc,u16 arr)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitPwm;        //GPIO初始化
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_PwmInit;  //定时器初始化
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OcPwminit;      //指定定时器输出通道初始化
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //配置GPIO时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

	GPIO_InitPwm.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP; //推完复用输出
	GPIO_InitPwm.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
	GPIO_InitPwm.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitPwm);

	TIM_PwmInit.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; 
	TIM_PwmInit.TIM_Period = arr;
	TIM_PwmInit.TIM_Prescaler = psc;
	TIM_PwmInit.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //1分频
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_PwmInit);

	TIM_OcPwminit.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1 ;       //比较输出模式pwm1
	TIM_OcPwminit.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能 
	TIM_OcPwminit.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;    //互补输出极性、低电平有效

	TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OcPwminit);            //初始化通道
	TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OcPwminit);            //初始化通道

	TIM_OC3PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); 
	TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); //控制波形是立即生效还是定时器发生下一次更新事件时被更新的
														//Enable:下一次更新事件时被更新
														//Disable:立即生效
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);                      //使能TIM3的外设

}

由代码可知PWM由定时器2的通道3和通道4输出，对应到单片机引脚图就是PA2和PA3，这里要注意。

2、TIM3和TIM4

TIM3和TIM4配置都差不多，就介绍一个就可以了，定时器配置代码如下

#include "encoder.h"

void Encoder_TIM3_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//开启时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;//初始化
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6 |GPIO_Pin_7;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStruct);//初始化定时器。
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=65535;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStruct);
	
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising,TIM_ICPolarity_Rising);//配置编码器模式
	
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);//初始化输入捕获
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter=10;
	TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStruct);
	
	TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);//配置溢出更新中断标志位
	TIM_SetCounter(TIM3,0);//清零定时器计数值
	TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);//开启定时器
}

这里要注意有一个配置为编码器模式的函数，函数的具体用法和函数参数什么意思就不在这里解释了，可以去查询相关资料或者后面出文章解释

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising,TIM_ICPolarity_Rising);

下面就是定时器中断函数和读取编码器数据的函数了

/*********************
编码器
速度读取函数
入口参数：定时器几
**********************/
int Read_Speed(int TIMx)
{
	int value_1;
	switch(TIMx)
	{                            //单位时间内,位移就是速度
		case 3:value_1=(short)TIM_GetCounter(TIM3);TIM_SetCounter(TIM3,0);break;
                                //1.采集编码器的计数值并保存。2.将定时器的计数值清零。
		default:value_1=0;
	}
	return value_1;
}

void TIM3_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!=0){

		TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);
	}
}

速度读取函数中，第一步采集定时器的计数值，也就是编码器的数据，并保存，第二步将定时器清零。

二、中断相关代码

针对中断这部分代码有两种解决方法，也可以用定时器实现，现在就介绍用中断实现方法，其实原理都是一样的。

#include "exti.h"

void MPU6050_EXTI_Init(void)    //中断后有一个下降沿
{
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//开启时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//PB5配置为上拉输入
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	
	
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource5);//映射
	
	EXTI_InitStruct.EXTI_Line=EXTI_Line5;
	EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;
	EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
}

这里配置了一个单片机引脚为外部中断，(PB5)为什么要配置这个引脚呢？这个引脚和MPU6050的中断引脚INT相连，INT是陀螺仪的中断引脚，当采集一次数据时，就会发生一次中断，对于中断后干嘛，在后面说明。

三、电机相关代码

#include "motor.h"
/*电机初始化函数*/
void Motor_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//开启时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12 |GPIO_Pin_13 |GPIO_Pin_14 |GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	
}

这个函数也就是配置4个引脚为输出引脚，和电机相连

#include "motor.h"
/*赋值函数*/
void Load(int moto1,int moto2)
{
	                          //数据正负号，对应正反转
	if(moto1>0)	Ain1=1,Ain2=0;//正转
	else 		Ain1=0,Ain2=1;//反转
	                          //加载PWM值
	TIM_SetCompare3(TIM2,GFP_abs(moto1)); //输出

	if(moto2>0)	Bin1=1,Bin2=0;
	else 		Bin1=0,Bin2=1;	
	TIM_SetCompare4(TIM2,GFP_abs(moto2));
}

这个函数是用于将PID计算输出的最终值加载到电机上，完成电机的控制。

四、OLED屏幕和MUP6050相关代码

针对这两部分的代码我都是用的官方的示例代码，这个网上都有很多的，陀螺仪只要能读到数据就可以了。

五、PID函数

平衡小车的PID函数由三部分构成，分别为直立环，速度环，转向环三部分构成，直立环就是让小车角度趋近0，速度环就是让电机速度趋近0，转向环就是让电机保持角速度为零。

1、直立环

/*********************
直立环PD控制器：Kp*Ek+Kd*Ek_D
入口：期望角度、真实角度、真实角速度
出口：直立环输出
*********************/
int Vertical(float Med,float Angle,float gyro_Y)
{
	int PWM_out;
	
	PWM_out=Vertical_Kp*(Angle-Med)+Vertical_Kd*(gyro_Y-0); //gyro_Y-0 ：角速度偏差
	return PWM_out;
}

直立环采用的是PD控制器，即out = Kp*Ek+Kd*Ek_D，Ek_D表示偏差的微分

2、速度环

/*********************
速度环PI：Kp*Ek+Ki*Ek_S
*********************/
int Velocity(int Target,int encoder_left,int encoder_right)
{
	static int Encoder_S,EnC_Err_Lowout_last,PWM_out,Encoder_Err,EnC_Err_Lowout;
	float a=0.7;  //低通滤波系数
	Encoder_Err = ((encoder_left+encoder_right)-Target);	//计算速度偏差
	//low_out = (1-a)*Ek+a*low_out_last;   	//对速度偏差进行低通滤波
	EnC_Err_Lowout = (1-a)*Encoder_Err+a*EnC_Err_Lowout_last;//使得波形更加平滑，滤除高频干扰，防止速度突变。
	EnC_Err_Lowout_last = EnC_Err_Lowout;//防止速度过大的影响直立环的正常工作。
	Encoder_S += EnC_Err_Lowout;//对速度偏差积分，积分出位移
	Encoder_S = Encoder_S > 10000 ? 10000 : (Encoder_S < (-10000) ? (-10000) :Encoder_S);//积分限幅
	PWM_out=Velocity_Kp*EnC_Err_Lowout+Velocity_Ki*Encoder_S;//速度环控制输出计算
	return PWM_out;    //输出
}

速度环采用的是PI控制器，即out = Kp*Ek+Ki*Ek_S，Ek_S表示偏差的积分

3、转向环

/*********************
转向环：系数*Z轴角速度
*********************/
int Turn(int gyro_Z)
{
	int PWM_out;
	PWM_out=(-0.6)*gyro_Z;    
	//	PWM_out=Turn_Kp*gyro_Z;
	return PWM_out;
}

转向环比较简单，输出就是一个系数乘以Z轴角速度就可以了

六、控制函数

代码如下

void EXTI9_5_IRQHandler(void)         //表示10ms中断时间到
{
	int PWM_out;
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5)!=0){//一级判定,看陀螺仪有没有中断
		
		if(PBin(5)==0){//二级判定   看看有没有数据  低电平

			EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);//清除中断标志位
			//采集编码器数据
			Encoder_Left=-Read_Speed(3);
			Encoder_Right=Read_Speed(4);
			//采集陀螺仪角度信息
			mpu_dmp_get_data(&Pitch,&Roll,&Yaw);		//角度
			MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);	//陀螺仪
			MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);	//加速度
			//将数据压入闭环控制中，计算出控制输出量。
			Velocity_out=Velocity(Target_Speed,Encoder_Left,Encoder_Right);	//速度环			
			Vertical_out=Vertical(Velocity_out+Med_Angle,Pitch,gyroy);		//直立环    
			Turn_out=Turn(gyroz);											//转向环							
			
			PWM_out=Vertical_out;//最终输出
			//把控制输出量加载到电机上，完成最终的的控制。
			MOTO1=PWM_out-Turn_out;
			MOTO2=PWM_out+Turn_out;
			Limit(&MOTO1,&MOTO2);	 //限幅			
			Load(MOTO1,MOTO2);		 //加载到电机上
		}
	}
}

这里就应该和前面PB5中断函数联系起来了，这里我利用的是陀螺仪采集完数据会产生中断，(这里设置陀螺仪采集数据的周期为10ms)，然后就触发单片机中断，进入中断完成相应的控制。

(当然了，这里也可以不用陀螺仪中断，直接采用定时器定时10ms,然后进入定时器中断函数完成相应的控制，所以这里是非常灵活的。)

其实这个控制函数也是比较简单的，进入中断后先清除中断标志位，再读取陀螺仪和编码器的数据，将数据再压入PID控制器进行计算，计算完成后将相应的值加载到电机上就可以了，进入中断调整一次小车的姿态，一直不断的调整，这样就大概完成了平衡小车的制作。

七、扩展篇

如果有人想在小车上添加一些功能该怎么办呢？比如实现超声波避障，跟随，或者是实现蓝牙控制小车

当然了这也是可以实现的了，在速度环函数的入口参数中有一个Target_Speed变量就是期望速度，可以将这个变量单独拿出来作为二次开发接口，然后改变这个变量的值来进行小车的移动。

比如下面就是实现蓝牙控制的一部分代码

MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);	//加速度
/*前后*/
if((Fore==0)&&(Back==0))Target_Speed=0;//速度清零，稳在原地
if(Fore==1)Target_Speed-=2;//需要前进
if(Back==1)Target_Speed+=2;//
Target_Speed=Target_Speed>SPEED_Y?SPEED_Y:(Target_Speed<-SPEED_Y?(-SPEED_Y):Target_Speed);//限幅
/*左右*/
if((Left==0)&&(Right==0))Turn_Speed=0;
if(Left==1)Turn_Speed+=30;	//左转
if(Right==1)Turn_Speed-=30;	//右转
Turn_Speed=Turn_Speed>SPEED_Z?SPEED_Z:(Turn_Speed<-SPEED_Z?(-SPEED_Z):Turn_Speed);//限幅( (20*100) * 100   )
/*转向约束*/
if((Left==0)&&(Right==0))Turn_Kd=-0.6;//没有左右转向指令，则转向约束
else if((Left==1)||(Right==1))Turn_Kd=0;//收到左右转向指令，去掉转向约束
Velocity_out=Velocity(Target_Speed,Encoder_Left,Encoder_Right);	//速度环

如果想要添加超声波也是类似的方法，都是改变期望速度Target_Speed

八、效果展示

平衡小车

版权声明：本文为CSDN博主「Li WanLiang」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_48458789/article/details/122144985

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Li WanLiang

我还没有学会写个人说明！

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