怎样去设计一种基于stm32的两轮平衡小车

　　摘要
　　这个项目是在20年11月初开始的，当时的我很迷茫，本应该去实习的我在线上培训，觉得无聊，便有了自己一人做项目的想法。也没想到这个项目做了将近整整一个月，才差不多做了出来。也是准备做两个项目的，这是第一个而已。
　　项目所需物料清单
　　主控板用到了c8t6、小车底盘（这个硬件是这项目于最贵的物料了），可以用大鱼电子、或者平衡小车之家的。由于经费的原因，我买了两个带电机的车轮、加上了亚克力板，勉强搭成了小车底盘。我的电机用的是JGA25-370电机。电机线正负是表示动力线1、2。电机线接反可以实现车轮反转的效果。为了布线方便，我用到了面包板。由于对焊接并不是很熟练，没用到洞洞板，这算是这个项目不大光彩的地方。用到的模块有mpu6050、oled（四针）、稳压模块（12V转5V）、JGA25-370电机、电机驱动模块（tb6612fng）、12v锂电池，目前想到的就这些模块。
　　项目过程中遇到的问题
　　这个项目历时一个月，过程的艰辛可想而知，也是本人太菜的原因，基础也很差。当时遇到的第一个问题就是稳压模块不知道怎么用，由于没有加上稳压模块，导致电机不转，这个问题困扰了很久，也问了很多人，最终知道了稳压模块是来将12v的电压降为5v的电压来给单片机供电的，虽然没用稳压模块，电机驱动模块并没有烧坏。用了稳压模块，由于不会焊接，就用了面包板代替了洞洞板。这让我也了解了面板板的强大之处。对于我这个小白来说。焊接的技术太差了，会焊接的同学可以忽略，本人计算机专业的，对电烙铁、焊锡并不是很了解。在校也没进实验室。电子、通信、自动化的同学应该带焊接并不陌生的。第一个问题花了很长一段时间的。
　　由于用到了洞洞板，接线就方便了许多。接着遇到的问题就是PID调节了。这个PID是真的难调。我们知道，虽说平衡小车是三闭环控制系统。但是仅仅直立环也是可以平衡的，只是不够精确罢了。直立环加速度环是完全可以平衡的，可以不用转向环的。
　　机械中值的确定
　　每个物体都有属于自己的机械中值，机械中值是调节PID的第一步，要想小车平衡性能非常好，首先必须得调节机械中值。之前也有人说过，要想小车能平衡，首先要让小车有一个短暂的平衡，不能一落地小车就倒。接着我们来谈谈如何来确定小车的机械中值。将小车的mpu6050测试代码烧录到主控，将小车放置地上顺时针转动，直至倒下，记下小车的角度。接着将小车逆时针转动，直至倒下，记下小车的角度。将两次角度的值相加，除以2，此时这个值就是小车的机械中值。确定好机械中值，就可以来调节速度环、直立环了。
　　PD（直立环）调节
　　我目前做的平衡小车v1.0版本，功能还有PID调节并不是很完善，目前小车只用到了直立环，根据我的调节，光直立环是可以平衡的。在调节直立环的时候，速度环PI中的kp、ki是必须置零的。首先判断直立环kp的极性，令kp=+1，kd=0;烧录程序，若小车向前倾，车轮向前加速，则说明极性正确，反之，则说明极性错误，令kp=-1。若小车两轮转动方向不一致，则说明硬件电机正负极接反了，需对调一下。kp极性判断完毕，接下来调节Kp的大小，令kd=0，不断增加kp，直至小车出现高频幅度震荡，调节kp不断消除震荡，持续增加，直至小车出现高频震荡，此时直立环调节完毕，由于kp、kd系数取的都是最大值，需要将系数乘以0.6，则是最平稳的。这是PD（直立环）调节。
　　PI（速度环）调节
　　在调节速度环PI的过程中，直立环的kp、kd是不需要置零的，首先也是判断极性，令kp=+1，烧录代码，用手向前转动一侧车轮，若两侧车轮同时向前加速，则kp极性正确，反之，则极性不正确，kp=-1。若kp极性判断正确，则可以通过调节Kp、Ki来让小车达到平衡。
　　程序讲解
　　mpu6050模块只用了五个引脚，分别是VCC、GND、SCL、SDA、INT，用到了IIC，引脚INT有相应的电平输出，依次可以触发外部中断作为控制周期，周期性反馈数据，保持mpu6050 数据的实时性。
　　/**************************************************************************
　　函数功能：外部中断初始化
　　入口参数：无
　　返回 值：无
　　作 用：是用来配置MPU6050引脚INT的，每当MPU6050有数据输出时，引脚INT有相应的电平输出。
　　依次来触发外部中断作为控制周期。保持MPU6050数据的实时性。
　　**************************************************************************/
　　void MPU6050_EXTI_Init（void）
　　{
　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
　　EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_AFIO，ENABLE）;//外部中断，需要使能AFIO时钟
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB， ENABLE）; //使能PB端口时钟
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //端口配置
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //上拉输入
　　GPIO_Init（GPIOB， &GPIO_InitStructure）; //根据设定参数初始化GPIOB
　　GPIO_EXTILineConfig（GPIO_PortSourceGPIOB，GPIO_PinSource5）;
　　EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line5;
　　EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
　　EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;//下降沿触发
　　EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
　　EXTI_Init（&EXTI_InitStructure）; //根据EXTI_InitStruct中指定的参数初始化外设EXTI寄存器
　　}
　　编码器通过定时器输入捕获脉冲数，来测速的。定时器中断和外部中断一直不是很理解，今天经过别人指导，豁然开朗。定时器中断是通过定时器的重转载值，分频系数以及计数模式等设置，然后定义它的中断触发方式而产生的中断，一般溢出中断比较多。编码器encode采用的就是定时器中断。外部中断则是通过定义管脚的电平状态，通过外部的电平来触发它产生的中断。mpu6050 INT引脚触发就是外部中断。
　　**************************************************************************
　　函数功能：单位时间读取编码器计数
　　入口参数：定时器
　　返回 值：速度值
　　**************************************************************************/
　　int Read_Encoder（u8 TIMX）
　　{
　　int Encoder_TIM;
　　switch（TIMX）
　　{
　　case 2： Encoder_TIM= （short）TIM2 -》 CNT; TIM2 -》 CNT=0;break;
　　case 3： Encoder_TIM= （short）TIM3 -》 CNT; TIM3 -》 CNT=0;break;
　　case 4： Encoder_TIM= （short）TIM4 -》 CNT; TIM4 -》 CNT=0;break;
　　default： Encoder_TIM=0;
　　}
　　return Encoder_TIM;
　　}
　　控制代码如下：直立环PD控制、速度环PI控制
　　KP、KD、KP、KI系数、机械中值
　　int Balance_Pwm，Velocity_Pwm，Turn_Pwm;
　　float Mechanical_angle=0; // 无超声波、电池平躺着的小车机械中值
　　float balance_UP_KP=1000; // 小车直立环KP（第一次kp调1000 、参数乘以0.6 1000 //600
　　float balance_UP_KD=-1.2; //-1.2 -1.2 //-1.08
　　float velocity_KP=0; // 1.0
　　float velocity_KI=0; //0.005
　　PD控制
　　/**************************************************************************
　　函数功能：直立PD控制
　　入口参数：角度、机械平衡角度（机械中值）、角速度
　　返回 值：直立控制PWM
　　**************************************************************************/
　　int balance_UP（float Angle，float Mechanical_balance，float Gyro）
　　{
　　float Bias;
　　int balance;
　　Bias=Angle-Mechanical_balance; //===求出平衡的角度中值和机械相关
　　balance=balance_UP_KP*Bias+balance_UP_KD*Gyro; //===计算平衡控制的电机PWM PD控制 kp是P系数 kd是D系数
　　return balance;
　　}