零、前言

        这是我的第一个全栈工程。

        “平衡小车”这个想法源于去年暑假电赛的备赛期间，到了刚刚结束的寒假，终于有时间去做了，我一开始规划从零开始在一周内完成，但是遇到的困难与挑战远超预期，中间走了非常多的弯路，最后前前后后用了将近两个月的时间（现在来看，如果一切顺利+熟练，在一周内完成也不是问题）。

        在做工程的过程中，吃了太多的苦，掉了太多的坑，感觉把所有的坎都走了一遍。但也正因如此，现在的成果才弥足珍贵，感谢坚持下来的自己。

一、概述

（一）演示

（二）结构

                项目可分为“硬件”、“软件”两大部分：

                硬件部分包括画原理图、画pcb板、购买硬件、组装焊接

                软件部分包括stm32初始化、获取传感器参数、pid调试（也是最令人头疼、最费时间的部分）

（三）踩过的坑（血泪史）

                1.型号错误，一开始用的陀螺仪和6050长的很像，但是dmp解算函数不一样。代价：四天

                2.多买易损件！！！小车震荡没有及时关闭，一共烧毁两块电机驱动，并且在万用表排插问题的时候，顺便把主控短路了。代价：20天的快递时间（第一块电机驱动在春节前5天买的，结果初九才送到，麻了），以及很多钱/(ㄒoㄒ)/~~

                3.PID极性，一定要先解决极性问题！代价：一个下午。

                4.小车应该放在桌子上启动，而不是放在架子上启动，再拿下来。代价：三天。

                5.在调节速度环时，应该给小车足够的地方运动，其实我的小车在今天早上就平衡了，但是一直因为距离太短，我没有认为已经初步平衡了。代价：一天

                6.串口的波特率一定要足够，实测115200波特率在10ms内打印四个.3f浮点数不成问题，而9600波特率只能1s传几个数据。代价：很不方便

                7.最好买一个usb拓展坞，我的电脑只剩一个usb接口，很不方便。代价：很不方便

                ......

二、硬件

（一）原理图

        用嘉立创专业版画的图，方便下单，最主要的是能白嫖打板【doge】。

        第一次画板还不太熟，忘记加指示灯啥的了，也没有加电容滤波，但目前看来没啥事。

（二）PCB

        可以私聊我购买成品，我有现成的富裕板子。

（三）硬件选购

        主控：stm32f103c8t6        便宜+资源多

        陀螺仪：mpu6050        资源多

        电机驱动：tb6612        发热小        强烈建议多买几块！！！

        稳压模块：XL2596        12v-5v

        电池：12v

        屏幕：0.96英寸

        电机：带霍尔编码器，型号忘了

        蓝牙模块：HC05        

        其他：底座（建议买两套）、排母、排针、端子、开关...

三、软件

调用及初始化见完整工程，此处只写pid部分的内容。

（一）编码器

        读取编码器的瞬时值，再立刻清零，此时数值即可当作轮子的瞬时速度。

encoder_L=-(short)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim4,0);
			
encoder_R=(short)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,0);		

（二）直立环       

        直立环是使小车平衡最核心的部分，但是只有直立环，做不到平衡，在理想情况下，会一直向一个方向倒去。

        直立环的输入是平衡方向的角度和角加速度，输出是pwm值。直立环采用PI控制，Kp是比例系数，用于宏观上的调整，但是会产生震荡；Ki是微分系数，用于超前预测，能够修正超调现象，从而稳定Kp造成的震荡。

        极性：分别调节Kp和Ki（此时另一个为0），若轮子转动方向与倾倒方向一致，则正确。

        大小：单独调节Kp，逐渐增大，当小车出现大幅低频震荡时，立刻关闭电机，记录此时数据为Kp_max。单独调节Kp，逐渐增大，当小车出现小幅高频震荡时，立刻关闭电机（建议不要超过2s，我烧了两块电机驱动才知道），记录此时数据为Ki_max。此时，直立环Kp=0.6*Kp_max，Ki=0.6*Ki_max。运用此时的数据，小车应不出现抖动，并且会向一个方向倾倒。

定义PID结构体

struct pid{
	float Kp;
	float Ki;
	float Kd;
	float val;
	float val_last;
	float val_err;//与期望差值
	float val_err_last;
	float val_delta;//与上一次差值
	float val_sum;
	float val_exp;
	
	float result;
};

直立环PI控制代码

float Vertical_PID(float roll,short gx)
{
	Vertical.Kp=14;//需根据自己的代码修改
	Vertical.Kd=0.055;//需根据自己的代码修改
	Vertical.val_exp=2.5;//机械中值，即小车在未上电情况下的平衡位置，与硬件结构有关
	Vertical.val=roll;
	Vertical.val_delta=-(float)gx;
	
	Vertical.val_err=Vertical.val_exp-Vertical.val;
	
	Vertical.result=Vertical.Kp * Vertical.val_err   +   Vertical.Kd * Vertical.val_delta;
	
	Vertical.val_last=Vertical.val;

	return Vertical.result;	
}

（三）速度环

        小车若想真正实现平衡，还需要速度环的配合。速度环的作用是使小车保持一个恒定的速度，此时的理想速度即为0。

        速度环的输入为两编码器的速度，这里利用读取编码器cnt值再清零的方式代替速度，输出为pwm值。速度环采用PD控制，P用于速度的比例控制，D用于积分，积分结果为移动的路程，路程越大，说明距离最初的平衡位置越远，则反馈越大，这就是单纯直立环所缺少的反馈。

        极性：Kp与Kd同极性，转动轮子，若轮子逐渐加快速度，则正确，反之，若其向相反方向转动，则错误。

        大小：根据经验，Kp=200Kd。在刚刚调好的速度环的前提下，逐渐增大Kd值，若出现在一定范围内平衡迹象，则代码正确，继续调大，直到在小范围内往复运动，此时抖动会很严重，需及时关闭电机。这时的Kp（Kd）即为速度环的参数。此时需要回调直立环的Kp与ki用于消除抖动，一般情况下，需大幅减小Kp。

速度环PD控制代码

float Velocity_PID(int Encoder_L_speed,int Encoder_R_speed)
{
	Velocity.Kp=30;
	Velocity.Ki=Velocity.Kp/200;
	Velocity.val_exp=0;//期望速度
	Velocity.val=Encoder_L_speed + Encoder_R_speed - Velocity.val_exp;
	
	float a = 0.7;
	Velocity.val_err=Velocity.val_exp - Velocity.val;
	Velocity.val_err=(1-a)*Velocity.val_err - a*Velocity.val_err_last;//一阶滤波，使小车平稳
	Velocity.val_err_last=Velocity.val_err;
	
	Velocity.val_sum+=Velocity.val_err;
	Velocity.val_sum=velocity_sum_restrict(Velocity.val_sum);//积分限幅
	
	Velocity.result=Velocity.Kp * Velocity.val_err  +  Velocity.Ki * Velocity.val_sum;

	return Velocity.result;
}

（四）转向环

        用于消除两轮的误差，使小车直线运动，没啥可调的，只要速度别太高就行。

float Turn_PID(float yaw)
{
	Turn.Kp=10;
	Turn.val=yaw;
	Turn.val_exp=0;
	
	Turn.val_err=Turn.val_exp - Turn.val;
	
	Turn.result=Turn.Kp * Turn.val;
	
	return Turn.result;
}

（五）其他

        总输出

Vertical_result=Vertical_PID(roll,gx);//直立环
			
Velocity_result=Velocity_PID(encoder_L,encoder_R);//速度环
			
Turn_result=Turn_PID(yaw);//转向环	
			
result=speed_restrict(Vertical_result+Velocity_result);//输出限幅
			
if(fabs(result)>=20)
{
    Motor_Move(LEFT,result-Turn_result/2);
    Motor_Move(RIGHT,result+Turn_result/2);	
}	

        限速函数

float speed_restrict(float speed)
{
	int max_speed = 500;
	if(speed>=max_speed)
		speed = max_speed;
	else if(speed<=-max_speed)
		speed = -max_speed;
	return speed;
}

        积分限幅函数

float velocity_sum_restrict(float velocity_sum)
{
	int max_velocity_sum=12000;
	if(velocity_sum>=max_velocity_sum)
		velocity_sum=max_velocity_sum;
	else if(velocity_sum<=-max_velocity_sum)
		velocity_sum=-max_velocity_sum;
	return velocity_sum;
}