stm32——平衡小车

一、STM32F103开发

STM32F103C8T6(入门款)：共有48个引脚，Flash有64KB，SRAM有20KB
STM32F103RCT6（进阶款）：共有64个引脚，Flash有256KB，SRAM有48KB
STM32F103ZET6（旗舰款）：共有144个引脚，Flash有512KB，SRAM有64KB

STM32开发方式：

寄存器开发：直接操作寄存器对硬件控制，抽象层级低，开发效率低
标准库开发：对硬件寄存器操作进行封装，提供面向函数的API
HAL库开发：更高级的硬件抽象，可图形化界面配置寄存器，屏蔽掉底层对硬件寄存器操作

二、定时器

1、定时器类型

定时器种类	捕获/比较通道	编码器接口	应用场景
高级定时器（TIM1、TIM8）	4	1	拥有通用定时器全部功能，并具有重复计数器、互补输出、刹车输入等功能
通用定时器（TIM2~TIM5）	4	1	16位向上/向下计数，拥有基本定时器全部功能，并具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口等功能
基本定时器（TIM6、TIM7）	0	0	仅16位向上计数

2、输入捕获

IC（Input Capture）：输入捕获。在输入捕获模式下，当通道引脚出现指定电平跳变时，锁存当前定时器计数值到捕获寄存器；

可测量PWM 频率、占空比、脉冲时长，典型应用：超声波测距。

常用函数：

cpp 复制代码

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);//打开定时器使能
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_2);//打开捕获使能
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

u16 TIM2CH2_CAPTURE_STA;//回响电平信号是否捕获到
u16 TIM2CH2_CAPTURE_VAL;//低14位记录总时长

//清除原来设置，配置定时器捕获上升沿
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2);
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2,TIM_ICPOLARITY_FALLING);
//检测到上升沿后捕获下降沿，获得之间的捕获值
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2,TIM_ICPOLARITY_RISING);

3、定时器编码器

1）.工作原理

采用霍尔磁式编码器：磁环随电机转动，霍尔元件感应 N/S 极输出高低电平；

脉冲个数表示位移的大小，正负表示位移的方向。

旋转速度：波形频率越高，旋转越快

旋转方向：正转，A比B提前90°；反转，A比B滞后90°。

2）.编码器的配置：

配置定时器4，选择Encoder Mode：变压器模式，该模式会占用通道1、通道2。

cpp 复制代码

//变压器模式使能
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_2);

//读取计数器的值，转速越大值越大，根据该值的正负判断方向
CNT = (short)TIM4->CNT;

4、定时器输出PWM

OC（Output Compare）:输出比较，输出比较可以通过CNT与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。

PWM：脉冲宽度调制。可通过对脉冲宽度的调制来获取所需要的模拟信号，通常应用于电机控制等领域。
频率 = 1 / TS
占空比 = TH / TS

驱动芯片：TB6612

1）.电机驱动原理：

电磁感应，通过调节电机线的直流电压大小，即可实现直流电机调速，改变电机线的直流电压的极性即可实现点击转向。

PA11控制电机A的PWM，PB13低电平，PB12高电平，AO1输出负极，AO2输出正极
PA8控制电机B的PWM，PB14控制BO2，PB15控制BO1

2）.配置

pulse：时钟脉冲。
CH Polarity：通道极性。配置初始占空比

cpp 复制代码

//定时器1PWM使能
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
//定时器2使能，通过中断调整PWM
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
//编码器使能
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_2);

cpp 复制代码

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    static int Flag=0;
    if(htim == &htim2){
        if(++COUNT >= 10){ //每10ms自增一次并判断
            switch(Flag){
                case0:if(++PWM>=70) PWM=70,Flag=1;break; //加速
                case1:if(--PWM<=30) PWM=30,Flag=0;break; //减速
                default;break;
            }
            Count=0;
        }
    }
}

三、MPU6050

1、基础功能

集成3 轴陀螺仪 （测三轴角速度）和 3 轴加速度（测三轴加速度），I2C 通信最高 400KHz

支持 DMP 硬件解算，直接输出旋转矩阵、四元数、欧拉角

MPU6050_Get_Accelscope：读取加速度原始值
MPU6050_Get_Gyroscope：读取陀螺仪原始值。

2、DMP姿态解算

横滚角Roll：左右倾斜角度
俯仰角Pitch：前后倾斜角度
偏航角Yaw：水平旋转

cpp 复制代码

float Roll,Pitch,Yaw;

void Read_DMP(void)
{
    unsigned long sensor_timestamp;
    unsigned char more;
    long quat[4];

    dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors, &more);//读取DMP数据
    if(sensore&INV_WXYZ_QUAT)
    {
        q0=quat[0]/q30;
        q1=quat[1]/q30;
        q2=quat[2]/q30;
        q3=quat[3]/q30;
        Roll = asin(-2*q1*q3+2*q0*q2)*57.3;//算出横滚角
        Pitch = atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*57.3;//算出俯仰角
        Yaw = atan2(2*(q1*q2+q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3)*57.3;//算出偏航角
    }
}

四、PID控制算法

1、基础概念

目标值：目标值：期望达到的设定值（平衡车俯仰目标 0°）
测量值：传感器实时采集的值；
偏差=目标值-测量值。

2、参数说明

e(k)：本次偏差
e(k-1)：上一次偏差
Σe(k)：偏差的累积和

比例项Kp：快速纠正偏差，让系统尽快接近目标值；只有Kp，可能会留下稳态误差。

**积分项Ki：**消除稳态误差，让系统最终精确到目标值；积分太大，系统反应慢，容易"超调"和"震荡"。

**微分项Kd：**抑制快速变化（过冲、震荡），提高系统稳定性；Kd过大易导致抖动。

3、串级PID

特性：串级PID是两个PID普通环套起来，外环（速度环）控制响应较慢的变量，内环（直立环）控制需要快速响应的变量，外环的输出作为内环的输入。

1).直立环：

cpp 复制代码

//直立环PD系数
float Balance_Kp,Balance_Kd;

//直立环控制
//参数：Angle---测量值，Gyro---角速度表示两次偏差的差值
int Blance(float Angle,float Gyro)
{
    float Angle_bias;
    int balance;
    Angle_bias = 0-Angle;//偏差
    
    //加上角速度的负值，抑制快速变化
    balance = Balance_Kp*Angle_bias + Balance_Kd*（-Gyro）;

    return balance;
}

参数调节（前提，满占空比为7200）：做直立环的参数范围确认，直立环是一个负反馈，将直立环涉及的参数Pitch、gyro输出，轻微晃动观察两个值的范围。一般估算Kp值是百位数，Kd是个位数。

2）.速度环：

cpp 复制代码

float Velocity_Kp,Velocity_Ki;

//速度环：让小车静止
//参数：encoder_left---左轮编码器读数，encoder_right---右轮编码器读数
int Velocity(int encoder_left,int encoder_right)
{
    static float velocity,Encoder_Least,Encoder_bias，Encoder_Integral;
    Encoder_Least = 0-(encoder_left+encoder_right);//偏差：目标速度-左右轮转速和
     // 一阶低通滤波
    Encoder_bias = Encoder_bias * 0.86 + Encoder_Least * 0.14;
    Encoder_Integral += Encoder_bias; 
    //电机限幅

    velocity = Velocity_Kp*Encoder_bias + Velocity_Ki*Encoder_Interal;//速度环

    if(Flag_Stop==1) Encoder_Interal=0;
    return velocity;
}

参数调节：正反馈，根据编码器最大偏差估算 Kp、Ki。

3）.最终输出：

cpp 复制代码

int LeftPWM = Balance_PWM + Velocity_PWM;
int RightPWM = Balance_PWM + Velocity_PWM;
set_pwm(LeftPWM, RightPWM);

void set_pwm(int left,int right)
{
    if(left>7200) left=7200;//电机驱动限制
    if(left<-7200) left=-7200;
    if(right>7200) right=7200;
    if(right<-7200) right=-7200;

    if(left>0){
    //电机A正转，置对应电机线电平}
    else{//电机A反转}
    _HAL_TIM_SetCompare(&htim1,通道,abs(left));//设置PWM

    if(right>0){
    //电机B正转，置对应电机线电平}
    else{//电机B反转}
    _HAL_TIM_SetCompare(&htim1,通道,abs(right));//设置PWM
}