系統(tǒng)框圖
按照我自己的理解，平衡小車(chē)的系統(tǒng)框圖大概是這樣子的一個(gè)思路：
獲取小車(chē)的速度和角度這兩組數(shù)據(jù)就是實(shí)現(xiàn)小車(chē)自平衡的前提，這些數(shù)值在stm32的中斷控制中結(jié)合PID算法使用，輸出運(yùn)算后的數(shù)值賦值給PWM寄存器控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自平衡;而遙控?cái)?shù)據(jù)則是小車(chē)轉(zhuǎn)向控制才需要用的，因此可以先不關(guān)注遙控部分，在小車(chē)能夠站起來(lái)后再去關(guān)注。
運(yùn)動(dòng)分析
平衡小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制可以分為平衡控制、速度控制和方向控制，即直立環(huán)、速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)，其中平衡控制是最關(guān)鍵的部分。平衡小車(chē)作為一個(gè)控制對(duì)象，可以簡(jiǎn)化地把它看做兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制，小車(chē)的直立控制和方向控制是直接通過(guò)控制小車(chē)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成的，小車(chē)的速度則是通過(guò)調(diào)節(jié)小車(chē)到的角度來(lái)完成的，不同的傾角會(huì)引起小車(chē)的加減速。(這里需要關(guān)注這兩個(gè)關(guān)鍵詞：速度和角度，這兩個(gè)數(shù)據(jù)是通過(guò)檢測(cè)裝置(傳感器)獲取的，后面部分會(huì)詳細(xì)講述)。
平衡控制(直立環(huán))
小車(chē)的平衡控制是通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
反饋又稱(chēng)回饋，是控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過(guò)程;而使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的反饋稱(chēng)為負(fù)反饋。(百度)
平衡小車(chē)的兩個(gè)輪子著地，車(chē)體只會(huì)在輪子滾動(dòng)的方向上發(fā)生傾斜，因此可以通過(guò)控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消在一個(gè)維度上傾斜的趨勢(shì)便可以保持車(chē)體平衡，即如果車(chē)體向前傾斜就向前加速運(yùn)動(dòng)，向后傾斜就向后加速運(yùn)動(dòng)。
保持小車(chē)穩(wěn)定平衡的條件是：能夠精確測(cè)量小車(chē)傾角θ的大小和角速度θ ’ 的大小以及可以控制車(chē)輪的加速度。(直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案第二版)
直立控制主要是保證小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中保持在一個(gè)理想的角度，這個(gè)理想的角度一般由小車(chē)的機(jī)械零點(diǎn)決定。這個(gè)點(diǎn)在實(shí)際中大多指的是一個(gè)范圍。(如果在單純調(diào)試直立環(huán)的時(shí)候調(diào)了很多組參數(shù)小車(chē)的平衡效果還是不好，不妨嘗試一下在直立控制的程序中加上或者減去一個(gè)小一些的數(shù)值)
單純直立環(huán)作用，在調(diào)好參數(shù)的情況下小車(chē)也是可以保持一定范圍和時(shí)間的平衡的，但是對(duì)外界干擾特別敏感，不穩(wěn)定，輕輕一推小車(chē)就失衡了，因此僅僅使用平衡控制是不足以實(shí)現(xiàn)我們想要的平衡效果的，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定效果，還需要加上速度環(huán)。
速度控制(速度環(huán))
小車(chē)的速度控制是通過(guò)正反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。使輸出起到與輸入相同的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差增大，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的反饋稱(chēng)為正反饋;即小車(chē)要向前傾斜，就往前更快地加速，以達(dá)到再次平衡。
由于存在安裝誤差，傳感器實(shí)際測(cè)量的角度與車(chē)模角度有偏差，因此車(chē)模實(shí)際不是保持與地面垂直，而是存在一個(gè)傾角，在重力的作用下，車(chē)模就會(huì)朝傾斜的方向加速前進(jìn)。平衡小車(chē)的速度是通過(guò)調(diào)節(jié)小車(chē)傾角來(lái)完成的，平衡小車(chē)不同的傾角會(huì)引起車(chē)模的加減速，從而達(dá)到對(duì)于速度的控制。(直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案第二版)
要調(diào)節(jié)小車(chē)的傾角，首先需要獲取小車(chē)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，一般都是通過(guò)編碼器來(lái)獲取。某寶上大多數(shù)平衡小車(chē)的車(chē)模都是帶有編碼器的，引出AB兩相，因?yàn)閟tm32的定時(shí)器有編碼器模式，因此特定的GPIO口可以直接連接電機(jī)上的編碼器接口，從而讀取脈沖，獲得速度值。
直立環(huán)與速度環(huán)共同作用，就可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平衡了，參數(shù)調(diào)好了即使用力推小車(chē)，小車(chē)也會(huì)迅速回到平衡位置。
轉(zhuǎn)向控制(轉(zhuǎn)向環(huán))
實(shí)現(xiàn)平衡小車(chē)的轉(zhuǎn)向控制的前提是平衡控制和速度控制已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好地平衡效果，要是還沒(méi)調(diào)好這兩個(gè)環(huán)，就先不要調(diào)轉(zhuǎn)向環(huán)。轉(zhuǎn)向控制比較簡(jiǎn)單，就是給予兩個(gè)電機(jī)差速，例如上位機(jī)需要控制小車(chē)左轉(zhuǎn)，那么在最終賦值給電機(jī)的時(shí)候讓左輪比右輪慢就行了(即左輪最終賦值減去轉(zhuǎn)向輸入值，右輪最終賦值加上轉(zhuǎn)向輸入值，兩值大小相同，符號(hào)相反)。
PID算法
這里分享三篇有關(guān)PID算法的文檔，從原理到C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)再到調(diào)參，總有一篇能解決你的疑惑，平衡小車(chē)運(yùn)用的PID算法就只是幾個(gè)式子，如果是興趣愛(ài)好去做的話不用太深入去理解具體的推導(dǎo)過(guò)程，有條件的話還是鉆研一番比較利于后面的學(xué)習(xí)。
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PID控制算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn).(絕對(duì)的好東西) hm5o
PID算法原理、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和代碼 z2r8
PID調(diào)節(jié)控制做電機(jī)速度控制 rw60
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定時(shí)器PWM輸出
脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation” 的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。
因?yàn)槲覀冊(cè)隍?qū)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候是希望它按照一定的速度行駛的，如果直接賦值高低電平來(lái)控制，則達(dá)不到我們要的控制效果。利用定時(shí)器輸出PWM波則可以實(shí)現(xiàn)上述要求。STM32 的定時(shí)器除了除了基本定時(shí)器TIM6和TIM7外，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生 PWM 輸出。其中高級(jí)定時(shí)器 TIM1 和 TIM8 可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá) 7 路的 PWM 輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá) 4路的 PWM 輸出。
定時(shí)器輸出PWM的配置無(wú)非是相關(guān)GPIO口初始化、使能時(shí)鐘、使能定時(shí)器、設(shè)置自動(dòng)裝載值和預(yù)分頻系數(shù)、設(shè)置PWM輸出通道和方向這些，相信開(kāi)發(fā)手冊(cè)寫(xiě)得很詳細(xì)了。要是懶得翻開(kāi)發(fā)手冊(cè)，這里再貼一個(gè)大佬的一篇博客：【STM32】通用定時(shí)器的PWM輸出(實(shí)例：PWM輸出)。高級(jí)定時(shí)器(以TIM1為例)的配置和通用定時(shí)器的配置基本一樣，但是還需要使能剎車(chē)和死區(qū)寄存器(TIM1_BDTR)的MOE位，以使能整個(gè) OCx(即 PWM)輸出。設(shè)置函數(shù)為：TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);// MOE 主輸出使能
定時(shí)器編碼器模式
編碼器模式是通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器的功能之一：
這里要著重提醒的是：stm32定時(shí)器只有TIMx_CH1和TIMx_CH2支持編碼器模式：
選擇編碼器接口模式的方法是：如果計(jì)數(shù)器只在TI2的邊沿計(jì)數(shù)，則置TIMx_SMCR寄存器中的SMS=001;如果只在TI1邊沿計(jì)數(shù)，則置SMS=010;如果計(jì)數(shù)器同時(shí)在TI1和TI2邊沿計(jì)數(shù)，則置SMS=011。
通過(guò)設(shè)置TIMx_CCER寄存器中的CC1P和CC2P位，可以選擇TI1和TI2極性;如果需要，還可以對(duì)輸入濾波器編程。
兩個(gè)輸入TI1和TI2被用來(lái)作為增量編碼器的接口。參看下表：
假定計(jì)數(shù)器已經(jīng)啟動(dòng)(TIMx_CR1寄存器中的CEN=’1’)，計(jì)數(shù)器由每次在TI1FP1或TI2FP2上的有效跳變驅(qū)動(dòng)。 TI1FP1和TI2FP2是TI1和TI2在通過(guò)輸入濾波器和極性控制后的信號(hào);如果沒(méi)有濾波和變相，則TI1FP1=TI1，TI2FP2=TI2。根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)的跳變順序，產(chǎn)生了計(jì)數(shù)脈沖和方向信號(hào)。依據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)的跳變順序，計(jì)數(shù)器向上或向下計(jì)數(shù)，同時(shí)硬件對(duì)TIMx_CR1寄存器的DIR位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。不管計(jì)數(shù)器是依靠TI1計(jì)數(shù)、依靠TI2計(jì)數(shù)或者同時(shí)依靠TI1和TI2計(jì)數(shù)。在任一輸入端(TI1或者TI2)的跳變都會(huì)重新計(jì)算DIR位。
編碼器接口模式基本上相當(dāng)于使用了一個(gè)帶有方向選擇的外部時(shí)鐘。這意味著計(jì)數(shù)器只在0到TIMx_ARR寄存器的自動(dòng)裝載值之間連續(xù)計(jì)數(shù)(根據(jù)方向，或是0到ARR計(jì)數(shù)，或是ARR到0計(jì)數(shù))。所以在開(kāi)始計(jì)數(shù)之前必須配置TIMx_ARR;同樣，捕獲器、比較器、預(yù)分頻器、觸發(fā)輸出特性等仍工作如常。在這個(gè)模式下，計(jì)數(shù)器依照增量編碼器的速度和方向被自動(dòng)的修改，因此計(jì)數(shù)器的內(nèi)容始終指示著編碼器的位置。計(jì)數(shù)方向與相連的傳感器旋轉(zhuǎn)的方向?qū)?yīng)。
當(dāng)定時(shí)器配置成編碼器接口模式時(shí)，提供傳感器當(dāng)前位置的信息。使用第二個(gè)配置在捕獲模式的定時(shí)器，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)編碼器事件的間隔，獲得動(dòng)態(tài)的信息(速度，加速度，減速度)。指示機(jī)械零點(diǎn)的編碼器輸出可被用做此目的。根據(jù)兩個(gè)事件間的間隔，可以按照固定的時(shí)間讀出計(jì)數(shù)器。如果可能的話，你可以把計(jì)數(shù)器的值鎖存到第三個(gè)輸入捕獲寄存器(捕獲信號(hào)必須是周期的并且可以由另一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生);也可以通過(guò)一個(gè)由實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生的DMA請(qǐng)求來(lái)讀取它的值。
以上內(nèi)容參考stm32中文手冊(cè)，更詳細(xì)說(shuō)明可以參考這篇博客：【STM32平衡小車(chē)】STM32定時(shí)器配置為編碼器模式
六軸傳感器獲取角度
平衡小車(chē)制作的核心部分是傾角和加速的的獲取，想要使小車(chē)站立和運(yùn)動(dòng)，這兩種參數(shù)的獲取是非常關(guān)鍵的，前者是控制小車(chē)直立的關(guān)鍵參數(shù)，后者是速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)。平衡小車(chē)使用MPU6050六軸傳感器模塊來(lái)獲取角度和加速度值，MPU6050六軸傳感器模塊的本質(zhì)是三軸陀螺儀傾角輸出+三軸加速度計(jì)速度輸出，并帶有溫度傳感器。
該模塊的通信方式是IIC通信，芯片內(nèi)置16字節(jié)AD轉(zhuǎn)換器，能輸出16位數(shù)據(jù)。得到輸出的四元數(shù)后，可利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)硬件加速引擎，通過(guò)主IIC接口，向應(yīng)用端輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)，通過(guò)DMP，就可以使用InvenSense公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，非常方便地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)大大降低了開(kāi)發(fā)難度。其內(nèi)部框圖如下：
SCL 和 SDA 是連接 STM32F103C8T6芯片的 IIC 接口， MCU通過(guò)這個(gè) IIC 接口來(lái)控制 MPU6050。VLOGIC 是 IO 口電壓，該引腳最低可以到 1.8V，一般直接接 VDD 即可。 AD0 是從 IIC 接口(接 MCU)的地址控制引腳，該引腳控制IIC 地址的最低位。如果接 GND，則 MPU6050 的 IIC 地址是： 0X68，如果接 VDD，則是0X69。
因?yàn)橥勇輧x買(mǎi)的是某點(diǎn)原子的，這里分享他們提供的詳細(xì)資料：
ATK-MPU6050六軸傳感器模塊用戶(hù)手冊(cè)_V1.0 w7wy
ATK-MPU6050六軸傳感器模塊使用說(shuō)明(Mini V3)_AN1507hhob
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