代码收藏家 STM32平衡车标准库开源详解
一、前言
1.本项目主要参考：
B站Up主：会飞的鱿鱼03，
然后mpu6050姿态解算参考了[小学生都会的]MPU6050DMP库移植(stm32标准库)_哔哩哔哩_bilibili
2.大致思路：
先简单讲下，pid直立环和速度环，直立环是让小车能够站着，速度环是让小车能够停住
二、单独模块
1.mpu6050：
大致原理：
通过I2C向芯片发送指令，使回传三轴加速度(Accelerometer)和三轴角速度(Gyroscope)。再将该数据丢进dmp库中，可解析出滚转角(Roll)、俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)。
其中偏航角决定的是前进的方向，然后滚转角(Roll)和俯仰角(Pitch)与mpu6050的放置位置有关，调取其中的数据来反映当前位置。
使用方式：
1.导入文件（两个都要，注意添加路径）
2.改引脚（在MPU6050_I2C.h文件中）
由于题主使用PB3、4引脚，使用复用引脚，还需在MPU6050_I2C.c进行相关修改
3.初始化
MPU6050_Init();
MPU6050_DMP_Init();4.在循环中进行数据提取即可
MPU6050_DMP_Get_Data(&Pitch,&Roll,&Yaw);
MPU_Get_Gyroscope(&Gx, &Gy, &Gz);（该文件在文章最后开源，可参考[小学生都会的]MPU6050DMP库移植(stm32标准库)_哔哩哔哩_bilibili）
2.霍尔编码器：
大致原理：
通过脉冲的速度，即可计算车轮转速
通过判断A、B相相对位置，即可判断正反转
使用方式：
编码器在stm32中有专门的模式，可节省软件资源，但每个编码器要用掉1个定时器。
1.初始化（见开源文件）
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising,TIM_ICPolarity_Rising);2.读取计数
TIM_GetCounter(TIM2);TIM_SetCounter(TIM2,0);读取当前计数，再将当前计数归零。只要定时执行该程序，即可得到速度
3.tb6612
大致原理：
通过给入PWM控制速度
通过AIN12，BIN12控制方向
三、PID算法
其中e(t)为偏差，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分的系数
三个系数分别起到的作用
Kp：回调速度。但过大会产生过冲
Kd：抑制Kd。类似阻尼效应
Ki：消除静态误差。
pid的目的：
是对偏差e(t)进行处理，使偏差趋近于0的过程
为了方便数据处理，常见的是离散pid：
直立环：
通常采用PD控制器
输入 ：目标角度（Middle_angle），实际角度，X轴角加速度（由于角度微分）
输出：PWM
int Vertical(float Med_Angle,float Angle,float gyro_X)
{
int PWM_out;
PWM_out = Vertical_Kp*(Angle-Med_Angle) + Vertical_Kd*(gyro_Y-0);
return PWM_out;
}速度环：
通常采用PI控制器，并且为减缓速度差值对减少对平衡的影响，所以在速度环中，使用用了一阶低通滤波
输入 ：目标速度（=0），当前速度（由编码器测得的数据反映）
输出：PWM
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;
//1.计算速度偏差
Encoder_Err = ((encoder_left+encoder_right)-Target);
//2.对速度偏差进行低通滤波
//low_out=(1-a)*Ek+a*low_out_last;
EnC_Err_Lowout = (1-a)*Encoder_Err + a*EnC_Err_Lowout_last;
EnC_Err_Lowout_last = EnC_Err_Lowout;
//3.对速度偏差积分，积分出位移
Encoder_S += EnC_Err_Lowout;
//4.积分限幅
Encoder_S = Encoder_S>10000 ? 10000:(Encoder_S<(-10000)?(-10000):Encoder_S);
//5.速度环控制输出计算
PWM_out = Velocity_Kp*EnC_Err_Lowout + Velocity_Ki*Encoder_S;
return PWM_out;
}
转向环：
与PD控制器直立环相似，但直立环有目标角度，也就是平衡的时候，因此需要实际与目标角度进行拟合。而转向环是旋转的变量，没有所谓的目标
输入：旋转角度，z轴角速度
输出：PWM
int Turn(int gyro_Z,int Angle)
{
int PWM_out;
PWM_out=Turn_Kd*gyro_Z + Turn_Kp*Angle;
return PWM_out;
}PID调节技巧：
1.根据设定电机定时器的ARR，角度大致范围，速度大致范围估计Kp、Ki、Kd大致数量级。然后随便带入几个值，判断不同pid的极性。
2.优先调直立环。先只调Kp，逐渐调大，找到出现低频大幅震动的阈值，且不要过大；再加入Ki，逐渐调大，找到出现高频小幅震动的阈值。（短暂观察，避免电机烧了）
3.将上述的值分别乘以0.6，然后开始调速度环。速度环的Kp：Kd 大致是 200：1。
可参考：【电赛】PID算法的常用组合和调参步骤 (串级/并级/舵机环/速度环/直立环/转向环/距离环…)_哔哩哔哩_bilibili
代码开源：
通过百度网盘分享的文件：stm32平衡车(终).7z
链接：https://pan.baidu.com/s/1iUyFSLq2sGnFLweCSq3KJQ
提取码：zndp
PID参考资料：
通过百度网盘分享的文件：PID参考文档.zip
链接：https://pan.baidu.com/s/1_HOKx0UVQazHtLzZmwZqzg
提取码：sg0c
作者：空nk.
