我的STM32主控红外遥控双轮平衡小车

(2015-05-28 17:38:27)[编辑][删除]

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

我的红外遥控双轮平衡小车程序初步完整，STM32F103ZET6主控，整个LCD显示，MPU6050数据读取，角度计算，卡尔曼滤波，PID算法，PWM输出，红外遥控，都已完成，还剩下最后PID的几个具体参数的调试了，这个需要等我的硬件部分完成之后开始，下面附上我初步的工程程序的链接，已经编译OK了的。http://pan.baidu.com/s/1dD2I4zZ，
后面会继续更新。包括硬件部分。
最近在硬件调试时，电路哥哥模块都链接好之后，接上12V驱动电机的电源之后，把我的STM32的板子给烧了，具体原因还在找，估计得加上光耦隔离。需要做好足够的保护措施才是，确实我的STM32在连接那个L298N的驱动时候就遇到了显示的问题，开始没太在意，最后给L298N接上12V的时候，整个就烧了，虽然没有和STM32直接相连。最开始接上6V（给L298N芯片供电的，理论上应该是5V)时，TFT显示等等都是没有问题的，然后给编码器接上电池（3.7V的，3V到5V的都可以），接着给L298N接上12V的，然后TFT屏就白了，不能显示东西了，但这个时候烧录程序什么的都是可以进行的，而且，烧录我原来的程序，也就是没有驱动电机的，而只是单纯地显示MPU6050参数的程序是可以正常运行的，而且TFT是可以正常显示的，烧录进后面完整的通过定时中断方式输出PWM的程序时，屏幕就无法显示了，我后来认为是那个编码器的电源没有与单片机共地，然后我引了一条线与单片机共地，再接上12V电源，再给单片机供电时，发现板子上没有任何反应了，并且发现UART模块发热很严重，一插上板子，那上面的灯就不亮了，板子上的灯根本没有反应了，通过其他端口供电也米有反应，果然是电源端与地段短路了，通过万用表也测出来了，但无法找出是哪里发生短路了，估计是哪里被击穿了吧。后来我看了下这个板子的系统电路图，他们的电源端和地端之间都是接有电容的，我想很可能是某个电容被击穿了，导致短路。电机启动瞬间会产生尖峰脉冲会对控制器产生影响。

复制他人（如图为L298组成的电机控制，MCU是STM32F103RBT6，电源12V，经过LM2676转换5V供给板上5V的芯片，5V经过LM1117输出3.3V给STM32，电机运行的情况下将产生50V的反向电动势，这个电动势将在续流二极管SK24的作用下回馈到电源VIN消耗掉，也就是这样会擡高输入的12V电压，假使这个50V的反压会通过LM2676到达+5V电压，在L298的+5V端通过L298的IO作用到STM32的IO，
第一个问题，看到STM32的IO说明图里面有保护二极管，这个保护二极管是内部带的吗？这个二极管吧高压回馈到STM32的电源，会不会烧芯片，手册上的“VDD_FT 对5 伏兼容I/O 脚是特殊的”，VDD_FT是如何连接的，什么原理能使他兼容5V输入，。是不是兼容5V就去掉了内部的上拉保护二极管。它与VDD 不同手册所说的ESD保护2000V是否能保护我现在这种情况的发生。
第二个问题，我现在L298用的5V逻辑电压，STM32用的3.3V，这种情况下STM32做输出会产生什么不好的因素，如何避免。设置为OD吗？

经过试验，现在很快烧毁了两片103RBT6，实在是无法也不太敢在原来电路基础上做实验，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

解决任何问题必须下定决心，一定要一定要！！！不然拖拖拉拉！

我认为编码器与单片机是需要共地的，需要参考定位点，宽且编码器的电源并不是导致TM32烧掉的原因，罪魁祸首应当还是那个12V电源！

给平衡小车编码器供电时需要跟单片机共地么

肯定需要共地的。

不然你编码器返回的脉冲和你单片机参考电平不一致

这样单片机就不能得到有效的电平信息

所有的类似的需要两个系统之间通讯的，在使用一套电源的前提下都是需要共地

STM32的IO口是要先进行时钟定义然后初始化的。

在我对IO口初始化后，再在main函数中写入PWM_INT()之后，我的车子受PWM轮子可以转了。
终于进入最后的PID参数的调节。
此时的小车程序代码如下，当然我还没有接上红外遥控模块，但PWM可以正常输出控制电机了。http://pan.baidu.com/s/1pJuqIz5

平衡小车matlab建模：
建模、控制算法及PD调节的取值参考：

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

硬件及软件参考如下网站资料；
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，旧的6.5版打不开）里打开NXT.mdl，输入NXT.m.txt内容回车，K_f的四个值就是所需的PD调节比例；详细参考NXT的文档；

主控制板说明：

1：新布置的，因为修改了一些不合理的地方，和我使用的不一样，主控制板上RS232硬件部分还未调试过，所以使用时需要注意；

2：可调电位器用来调试修改PD参数；

3：另外几个接口可以用来改成遥控输入，比例遥控可以用AD采样口实现，但需要增加滤波；

4：车轮速度我进行了低通滤波，否则可能会发抖；

马达控制板说明：

1：同样重新修订，PCB最好自己优化并检查；
2：马达控制板最好是使用IR2184，因为直接兼容5V电平，IR2111需要使用12V输入，我直接在单片机输出口接12V上拉电阻，也可以使用，但不推荐；

上位机只是简单的查看滤波效果和车速是否正确取得，VB编写的，大家可做完善；

zl
2010.06.16

辛苦了大概两个多月，之前一直都调不好。中间也遇到了很多的问题，但当问题解决后每次都是重大的突破。现在就介绍一下，制作过程中遇到的问题。
            1、关于加速度计的转换系数
            要制作自平衡车，角度和角速度的计算就很重要。关于加速度计和陀螺仪的使用就不多说了，他们一个用来测加速度计，一个用来测角速度。
            把从加速度计读出来的数据转换成角度，要乘以一个比例系数。在转换成角度角度的过程中，可以完全不用三角函数（因为车的倾角其实不会超过正负10度，后面会提到），直接把（最大值-最小值）/90（/2如果有正负的话）作为比例系数就可以了（这样可以和真实角度比较）。其实理论上这个比例系数是什么都可以，因为后面陀螺仪转换系数是根据加速度计的转换比例系数跳出来的，所以加速度计的比例系数无论是什么值都没有影响。

            2、关于陀螺仪转换系数
            陀螺仪的转换系数需要根据滤波的波形来调（我是在飞思卡尔公布的官方方案中看到的，经实践千真万确），陀螺仪的转换系数不用去算，只需要通过看波形去调就可以了，直到不超调也不滞后就可以了，具体的可以看附件官网方案中的93页（第二版）。

            3、关于滤波
            角度滤波有很多方案，我所知道的是互补滤波、官网的方案和卡尔曼滤波，我的感想是什么滤波都不重要，重要的是参数要调好。

            互补滤波：这是很简单也很实用的方法，其实和官网的方案有一点类似的地方，在网上有一个很著名的20页的PPT文件The Balance Filter，介绍的是互补滤波，相信大家看了之后都会明白的。在文件中，作者把高通滤波系数a和时间常数T（涛，不知道怎么打出来）及采样周期dt用一个公式建立了联系，而我的经验是，我们不要用这个公式去计算。高通滤波系数取0.98（不能比0.98再小了，会不平滑），采样周期根据你程序的需要是多少就多少（5ms的效果会比10ms好很多，越小越好），滤波可以通过调陀螺仪的转换系数达到很好的效果。也就是说，用互补滤波的关键调试参数是陀螺仪转换系数，把加速度计转换系数、高通滤波系数和采样周期定好之后，只需要调试陀螺仪转换系数就可以达到满意的效果了
            PS：互补滤波的效果一定不差，我看过网上用互补滤波和单纯的P控制达到很好的效果的。

            官网滤波方案：我总觉得官网的和互补滤波有些相似，经实验，效果也是很好的。具体的公式在参考方案里面也有。调试的关键就是陀螺仪转换系数。

            卡尔曼滤波：一直没用过，也不会用，主要是没弄懂。我不喜欢用一知半解的东西，因为出现问题的时候排查不出来或者不知道怎么解决问题。网上也有很多卡尔曼滤波的程序，因为一直看不懂，就连试也没试。如果会用的话，效果应该是好的，但我不会用。如果有谁用兴趣的话还请多多指教，互相交流一下。

            4、关于控制
            当然有再好的角度和角速度控制不好的话也是站不好的。控制就用一般的PID控制，PWM=P*角度+D*角速度，这里没用积分控制，效果已经很好了。
            在官网的方案中，还加上了死区电压，我的最大的体会就是，这个死区电压是可以不要的，而且不要更好（或者去一个小一点的值）。
            这样的话就要把P调的很大。具体是多大呢，至少是电机满值的十分之一（五分之一甚至三分之一都是没问题的），例如电机最大输出是1的话，P取0.1、0.2、0.3都是没问题的（官网的方案好像是取的0.3），如果点击最大输出是5000的话，那么P取500、1000、1500都是可以的，（当然前提是加速度计转换系数转换出来的角度值和真实值相当，否则另当别论）。所以车模的角度应该不会超过正负十度，因为当P=0.3的时候，车模有三度多的偏差时电机就满电压输出了。我之前就是一直用一个很小的P去调，原来所有的问题就在于把P调大就可以了。
            至于D的话，大概在P的七十分之一或八十分之一之间都是可以有很好的效果的。这个关系就和加速度转换系数没有关系了。比如官网中P=0.3则D=0.3*1/75=0.004，在我这里P=1000，则D=1000*1/75=13.3，效果都是很好的。PS：这个关系只是在车模静止平衡时的关系，行进中的关系我还没有实验过。

            5、说明
            （1）陀螺仪的过冲是一个严重问题，高通滤波的那个电容是不可取的，要把它去掉才好。
            （2）每一步都是关键，要真正理解原理才会知道怎么调。
            （3）资料不知道怎么上传，他总是说附件超过大小了，有需要的可以留言

               下一步打算把速度控制加上，谁有好的又不是很贵的编码器可以推荐下，谢谢！

http://www.amobbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5464211
总结得也是相当到位的，现在才渐渐看懂。
现在才渐渐意识到核心不是PID的调节了，是滤波还有转换系数等等。

下面一张截图是我目前小车调到最好时的滤波，可以明显感受到滤波前和滤波后的不一样，也深深地感受到滤波信号处理的厉害与重要。

这个波形的显示的扯个串口调试助手还是用山外的好，那个SSCOM32以后建议不用了，直接用这个，功能非常强大，支持自动搜索串口等等，包括发送字符也支持16进制的显示。完爆SSCOM32,也谢谢学长的推荐，我也附上合格山外串口调试助手的下载链接，里面有使用说明文档。http://pan.baidu.com/s/1i3AItQt
经过串口调试显示波形再调试参数等等，现在车子可以达到稳定十几秒最高纪录42秒了。（连续几十个小时彻夜的参数调试），下面附上目前调的最好的一组参数的程序，至少可以让小车保持基本（十几秒几十秒）的平衡，当然我最终目标是永久的平衡。下面是程序链接：http://pan.baidu.com/s/1i38a27V