我的STM32主控紅外遙控雙輪平衡小車

(2015-05-28 17:38:27)[編輯][刪除]

http://blog.sina.com.cn/s/blog_c0e651900102voe6.html

我的紅外遙控雙輪平衡小車程序初步完整，STM32F103ZET6主控，整個LCD顯示，MPU6050數據讀取，角度計算，卡爾曼濾波，PID算法，PWM輸出，紅外遙控，都已完成，還剩下最後PID的幾個具體參數的調試了，這個需要等我的硬件部分完成之後開始，下面附上我初步的工程程序的鏈接，已經編譯OK了的。http://pan.baidu.com/s/1dD2I4zZ，
後面會繼續更新。包括硬件部分。
最近在硬件調試時，電路哥哥模塊都鏈接好之後，接上12V驅動電機的電源之後，把我的STM32的板子給燒了，具體原因還在找，估計得加上光耦隔離。需要做好足夠的保護措施纔是，確實我的STM32在連接那個L298N的驅動時候就遇到了顯示的問題，開始沒太在意，最後給L298N接上12V的時候，整個就燒了，雖然沒有和STM32直接相連。最開始接上6V（給L298N芯片供電的，理論上應該是5V)時，TFT顯示等等都是沒有問題的，然後給編碼器接上電池（3.7V的，3V到5V的都可以），接着給L298N接上12V的，然後TFT屏就白了，不能顯示東西了，但這個時候燒錄程序什麼的都是可以進行的，而且，燒錄我原來的程序，也就是沒有驅動電機的，而只是單純地顯示MPU6050參數的程序是可以正常運行的，而且TFT是可以正常顯示的，燒錄進後面完整的通過定時中斷方式輸出PWM的程序時，屏幕就無法顯示了，我後來認爲是那個編碼器的電源沒有與單片機共地，然後我引了一條線與單片機共地，再接上12V電源，再給單片機供電時，發現板子上沒有任何反應了，並且發現UART模塊發熱很嚴重，一插上板子，那上面的燈就不亮了，板子上的燈根本沒有反應了，通過其他端口供電也米有反應，果然是電源端與地段短路了，通過萬用表也測出來了，但無法找出是哪裏發生短路了，估計是哪裏被擊穿了吧。後來我看了下這個板子的系統電路圖，他們的電源端和地端之間都是接有電容的，我想很可能是某個電容被擊穿了，導致短路。電機啓動瞬間會產生尖峯脈衝會對控制器產生影響。

複製他人（如圖爲L298組成的電機控制，MCU是STM32F103RBT6，電源12V，經過LM2676轉換5V供給板上5V的芯片，5V經過LM1117輸出3.3V給STM32，電機運行的情況下將產生50V的反向電動勢，這個電動勢將在續流二極管SK24的作用下回饋到電源VIN消耗掉，也就是這樣會擡高輸入的12V電壓，假使這個50V的反壓會通過LM2676到達+5V電壓，在L298的+5V端通過L298的IO作用到STM32的IO，
第一個問題，看到STM32的IO說明圖裏面有保護二極管，這個保護二極管是內部帶的嗎？這個二極管吧高壓回饋到STM32的電源，會不會燒芯片，手冊上的“VDD_FT 對5 伏兼容I/O 腳是特殊的”，VDD_FT是如何連接的，什麼原理能使他兼容5V輸入，。是不是兼容5V就去掉了內部的上拉保護二極管。它與VDD 不同手冊所說的ESD保護2000V是否能保護我現在這種情況的發生。
第二個問題，我現在L298用的5V邏輯電壓，STM32用的3.3V，這種情況下STM32做輸出會產生什麼不好的因素，如何避免。設置爲OD嗎？

經過試驗，現在很快燒燬了兩片103RBT6，實在是無法也不太敢在原來電路基礎上做實驗，望各位多多指教，）
http://bbs.eeworld.com.cn/thread-249976-1-1.html

http://www.amobbs.com/thread-5495321-1-1.html

http://bbs.21ic.com/icview-583546-1-1.html

解決任何問題必須下定決心，一定要一定要！！！不然拖拖拉拉！

我認爲編碼器與單片機是需要共地的，需要參考定位點，寬且編碼器的電源並不是導致TM32燒掉的原因，罪魁禍首應當還是那個12V電源！

給平衡小車編碼器供電時需要跟單片機共地麼

肯定需要共地的。

不然你編碼器返回的脈衝和你單片機參考電平不一致

這樣單片機就不能得到有效的電平信息

所有的類似的需要兩個系統之間通訊的，在使用一套電源的前提下都是需要共地

STM32的IO口是要先進行時鐘定義然後初始化的。

在我對IO口初始化後，再在main函數中寫入PWM_INT()之後，我的車子受PWM輪子可以轉了。
終於進入最後的PID參數的調節。
此時的小車程序代碼如下，當然我還沒有接上紅外遙控模塊，但PWM可以正常輸出控制電機了。http://pan.baidu.com/s/1pJuqIz5

平衡小車matlab建模：
建模、控制算法及PD調節的取值參考：

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19147-nxtway-gs-self-balancing-two-wheeled-robot-controller-design

硬件及軟件參考如下網站資料；
http://www.circuitcellar.com/avr2006/winners/de/at3329.htm
http://tlb.org/scooter.html
http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/

matlab（matlab需要2008版，舊的6.5版打不開）裏打開NXT.mdl，輸入NXT.m.txt內容回車，K_f的四個值就是所需的PD調節比例；詳細參考NXT的文檔；

主控制板說明：

1：新佈置的，因爲修改了一些不合理的地方，和我使用的不一樣，主控制板上RS232硬件部分還未調試過，所以使用時需要注意；

2：可調電位器用來調試修改PD參數；

3：另外幾個接口可以用來改成遙控輸入，比例遙控可以用AD採樣口實現，但需要增加濾波；

4：車輪速度我進行了低通濾波，否則可能會發抖；

馬達控制板說明：

1：同樣重新修訂，PCB最好自己優化並檢查；
2：馬達控制板最好是使用IR2184，因爲直接兼容5V電平，IR2111需要使用12V輸入，我直接在單片機輸出口接12V上拉電阻，也可以使用，但不推薦；

上位機只是簡單的查看濾波效果和車速是否正確取得，VB編寫的，大家可做完善；

zl
2010.06.16

辛苦了大概兩個多月，之前一直都調不好。中間也遇到了很多的問題，但當問題解決後每次都是重大的突破。現在就介紹一下，製作過程中遇到的問題。
            1、關於加速度計的轉換系數
            要製作自平衡車，角度和角速度的計算就很重要。關於加速度計和陀螺儀的使用就不多說了，他們一個用來測加速度計，一個用來測角速度。
            把從加速度計讀出來的數據轉換成角度，要乘以一個比例係數。在轉換成角度角度的過程中，可以完全不用三角函數（因爲車的傾角其實不會超過正負10度，後面會提到），直接把（最大值-最小值）/90（/2如果有正負的話）作爲比例係數就可以了（這樣可以和真實角度比較）。其實理論上這個比例係數是什麼都可以，因爲後面陀螺儀轉換系數是根據加速度計的轉換比例係數跳出來的，所以加速度計的比例係數無論是什麼值都沒有影響。

            2、關於陀螺儀轉換系數
            陀螺儀的轉換系數需要根據濾波的波形來調（我是在飛思卡爾公佈的官方方案中看到的，經實踐千真萬確），陀螺儀的轉換系數不用去算，只需要通過看波形去調就可以了，直到不超調也不滯後就可以了，具體的可以看附件官網方案中的93頁（第二版）。

            3、關於濾波
            角度濾波有很多方案，我所知道的是互補濾波、官網的方案和卡爾曼濾波，我的感想是什麼濾波都不重要，重要的是參數要調好。

            互補濾波：這是很簡單也很實用的方法，其實和官網的方案有一點類似的地方，在網上有一個很著名的20頁的PPT文件The Balance Filter，介紹的是互補濾波，相信大家看了之後都會明白的。在文件中，作者把高通濾波係數a和時間常數T（濤，不知道怎麼打出來）及採樣週期dt用一個公式建立了聯繫，而我的經驗是，我們不要用這個公式去計算。高通濾波係數取0.98（不能比0.98再小了，會不平滑），採樣週期根據你程序的需要是多少就多少（5ms的效果會比10ms好很多，越小越好），濾波可以通過調陀螺儀的轉換系數達到很好的效果。也就是說，用互補濾波的關鍵調試參數是陀螺儀轉換系數，把加速度計轉換系數、高通濾波係數和採樣週期定好之後，只需要調試陀螺儀轉換系數就可以達到滿意的效果了
            PS：互補濾波的效果一定不差，我看過網上用互補濾波和單純的P控制達到很好的效果的。

            官網濾波方案：我總覺得官網的和互補濾波有些相似，經實驗，效果也是很好的。具體的公式在參考方案裏面也有。調試的關鍵就是陀螺儀轉換系數。

            卡爾曼濾波：一直沒用過，也不會用，主要是沒弄懂。我不喜歡用一知半解的東西，因爲出現問題的時候排查不出來或者不知道怎麼解決問題。網上也有很多卡爾曼濾波的程序，因爲一直看不懂，就連試也沒試。如果會用的話，效果應該是好的，但我不會用。如果有誰用興趣的話還請多多指教，互相交流一下。

            4、關於控制
            當然有再好的角度和角速度控制不好的話也是站不好的。控制就用一般的PID控制，PWM=P*角度+D*角速度，這裏沒用積分控制，效果已經很好了。
            在官網的方案中，還加上了死區電壓，我的最大的體會就是，這個死區電壓是可以不要的，而且不要更好（或者去一個小一點的值）。
            這樣的話就要把P調的很大。具體是多大呢，至少是電機滿值的十分之一（五分之一甚至三分之一都是沒問題的），例如電機最大輸出是1的話，P取0.1、0.2、0.3都是沒問題的（官網的方案好像是取的0.3），如果點擊最大輸出是5000的話，那麼P取500、1000、1500都是可以的，（當然前提是加速度計轉換系數轉換出來的角度值和真實值相當，否則另當別論）。所以車模的角度應該不會超過正負十度，因爲當P=0.3的時候，車模有三度多的偏差時電機就滿電壓輸出了。我之前就是一直用一個很小的P去調，原來所有的問題就在於把P調大就可以了。
            至於D的話，大概在P的七十分之一或八十分之一之間都是可以有很好的效果的。這個關係就和加速度轉換系數沒有關係了。比如官網中P=0.3則D=0.3*1/75=0.004，在我這裏P=1000，則D=1000*1/75=13.3，效果都是很好的。PS：這個關係只是在車模靜止平衡時的關係，行進中的關係我還沒有實驗過。

            5、說明
            （1）陀螺儀的過沖是一個嚴重問題，高通濾波的那個電容是不可取的，要把它去掉纔好。
            （2）每一步都是關鍵，要真正理解原理纔會知道怎麼調。
            （3）資料不知道怎麼上傳，他總是說附件超過大小了，有需要的可以留言

               下一步打算把速度控制加上，誰有好的又不是很貴的編碼器可以推薦下，謝謝！

http://www.amobbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5464211
總結得也是相當到位的，現在才漸漸看懂。
現在才漸漸意識到核心不是PID的調節了，是濾波還有轉換系數等等。

下面一張截圖是我目前小車調到最好時的濾波，可以明顯感受到濾波前和濾波後的不一樣，也深深地感受到濾波信號處理的厲害與重要。

這個波形的顯示的扯個串口調試助手還是用山外的好，那個SSCOM32以後建議不用了，直接用這個，功能非常強大，支持自動搜索串口等等，包括髮送字符也支持16進制的顯示。完爆SSCOM32,也謝謝學長的推薦，我也附上合格山外串口調試助手的下載鏈接，裏面有使用說明文檔。http://pan.baidu.com/s/1i3AItQt
經過串口調試顯示波形再調試參數等等，現在車子可以達到穩定十幾秒最高紀錄42秒了。（連續幾十個小時徹夜的參數調試），下面附上目前調的最好的一組參數的程序，至少可以讓小車保持基本（十幾秒幾十秒）的平衡，當然我最終目標是永久的平衡。下面是程序鏈接：http://pan.baidu.com/s/1i38a27V