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作者：平衡小车之家
产品名称：Minibalance For Arduino
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#include <DATASCOPE.h> //这是PC端上位机的库文件
#include <PinChangeInt.h> //外部中断
#include <MsTimer2.h> //定时中断
#include <KalmanFilter.h> //卡尔曼滤波
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"//MPU6050库文件
#include "Wire.h"
#include <EEPROM.h>
MPU6050 Mpu6050; //实例化一个 MPU6050 对象，对象名称为 Mpu6050
DATASCOPE data;//实例化一个 上位机 对象，对象名称为 data
KalmanFilter KalFilter;//实例化一个卡尔曼滤波器对象，对象名称为 KalFilter
int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz; //MPU6050的三轴加速度和三轴陀螺仪数据
#define KEY 3 //按键引脚
#define IN1 12 //TB6612FNG驱动模块控制信号 共6个
#define IN2 13
#define IN3 7
#define IN4 6
#define PWMA 10
#define PWMB 9
#define ENCODER_L 2 //编码器采集引脚 每路2个 共4个
#define DIRECTION_L 5
#define ENCODER_R 4
#define DIRECTION_R 8
#define ZHONGZHI 0//小车的机械中值 DIFFERENCE
#define DIFFERENCE 2
int Balance_Pwm, Velocity_Pwm, Turn_Pwm; //直立 速度 转向环的PWM
int Motor1, Motor2; //电机叠加之后的PWM
float Battery_Voltage; //电池电压 单位是V
volatile long Velocity_L, Velocity_R = 0; //左右轮编码器数据
int Velocity_Left, Velocity_Right = 0; //左右轮速度
int Flag_Qian, Flag_Hou, Flag_Left, Flag_Right; //遥控相关变量
int Angle, Show_Data,PID_Send; //用于显示的角度和临时变量
unsigned char Flag_Stop = 1,Send_Count,Flash_Send; //停止标志位和上位机相关变量
float Balance_Kp=15,Balance_Kd=0.4,Velocity_Kp=2,Velocity_Ki=0.01;
//***************下面是卡尔曼滤波相关变量***************//
float K1 = 0.05; // 对加速度计取值的权重
float Q_angle = 0.001, Q_gyro = 0.005;
float R_angle = 0.5 , C_0 = 1;
float dt = 0.005; //注意：dt的取值为滤波器采样时间 5ms
int addr = 0;
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函数功能：检测小车是否被拿起
入口参数：Z轴加速度 平衡倾角 左轮编码器 右轮编码器
返回 值：0：无事件 1：小车被拿起
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int Pick_Up(float Acceleration, float Angle, int encoder_left, int encoder_right){
static unsigned int flag, count0, count1, count2;
if (flag == 0) //第一步
{
if (abs(encoder_left) + abs(encoder_right) < 15) count0++; //条件1，小车接近静止
else count0 = 0;
if (count0 > 10) flag = 1, count0 = 0;
}
if (flag == 1) //进入第二步
{
if (++count1 > 400) count1 = 0, flag = 0; //超时不再等待2000ms
if (Acceleration > 27000 && (Angle > (-14 + ZHONGZHI)) && (Angle < (14 + ZHONGZHI))) flag = 2; //条件2，小车是在0度附近被拿起
}
if (flag == 2) //第三步
{
if (++count2 > 200) count2 = 0, flag = 0; //超时不再等待1000ms
if (abs(encoder_left + encoder_right) > 300) //条件3，小车的轮胎因为正反馈达到最大的转速
{
flag = 0; return 1;
}
}
return 0;
}
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函数功能：检测小车是否被放下 作者：平衡小车之家
入口参数： 平衡倾角 左轮编码器 右轮编码器
返回 值：0：无事件 1：小车放置并启动
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int Put_Down(float Angle, int encoder_left, int encoder_right){
static u16 flag, count;
if (Flag_Stop == 0) return 0; //防止误检
if (flag == 0)
{
if (Angle > (-10 + ZHONGZHI) && Angle < (10 + ZHONGZHI) && encoder_left == 0 && encoder_right == 0) flag = 1; //条件1，小车是在0度附近的
}
if (flag == 1)
{
if (++count > 100) count = 0, flag = 0; //超时不再等待 500ms
if (encoder_left > 12 && encoder_right > 12 && encoder_left < 80 && encoder_right < 80) //条件2，小车的轮胎在未上电的时候被人为转动
{
flag = 0;
flag = 0;
return 1; //检测到小车被放下
}
}
return 0;
}
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函数功能：异常关闭电机 作者：平衡小车之家
入口参数：倾角和电池电压
返回 值：1：异常 0：正常
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unsigned char Turn_Off(float angle, float voltage)
{
unsigned char temp;
if (angle < -40 || angle > 40 || 1 == Flag_Stop || voltage < 11.1) //电池电压低于11.1V关闭电机 //===倾角大于40度关闭电机//===Flag_Stop置1关闭电机
{
temp = 1;
analogWrite(PWMA, 0); //PWM输出为0
analogWrite(PWMB, 0); //PWM输出为0
}
else temp = 0; //不存在异常，返回0
return temp;
}
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函数功能：虚拟示波器往上位机发送数据 作者：平衡小车之家
入口参数：无
返回 值：无
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void DataScope(void)
{
int i;
data.DataScope_Get_Channel_Data(Angle, 1); //显示第一个数据，角度
data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Left, 2);//显示第二个数据，左轮速度 也就是每40ms输出的脉冲计数
data.DataScope_Get_Channel_Data(Velocity_Right, 3);//显示第三个数据，右轮速度 也就是每40ms输出的脉冲计数
data.DataScope_Get_Channel_Data(Battery_Voltage, 4);//显示第四个数据，电池电压，单位V
Send_Count = data.DataScope_Data_Generate(4);
for ( i = 0 ; i < Send_Count; i++)
{
Serial.write(DataScope_OutPut_Buffer[i]);
}
delay(50); //上位机必须严格控制发送时序
}
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函数功能：按键扫描 作者：平衡小车之家
入口参数：无
返回 值：按键状态，1：单击事件，0：无事件。
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unsigned char My_click(void){
static unsigned char flag_key = 1; //按键按松开标志
unsigned char Key;
Key = digitalRead(KEY); //读取按键状态
if (flag_key && Key == 0) //如果发生单击事件
{
flag_key = 0;
return 1; // 单击事件
}
else if (1 == Key) flag_key = 1;
return 0;//无按键按下
}
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函数功能：直立PD控制 作者：平衡小车之家
入口参数：角度、角速度
返回 值：直立控制PWM
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int balance(float Angle, float Gyro)
{
float Bias;
int balance;
Bias = Angle - 0; //===求出平衡的角度中值 和机械相关
balance = Balance_Kp * Bias + Gyro * Balance_Kd; //===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;
}
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函数功能：速度PI控制 作者：平衡小车之家
入口参数：左轮编码器、右轮编码器
返回 值：速度控制PWM
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int velocity(int encoder_left, int encoder_right)
{
static float Velocity, Encoder_Least, Encoder, Movement;
static float Encoder_Integral, Target_Velocity;
float kp = 2, ki = kp / 200; //PI参数
if ( Flag_Qian == 1)Movement = 600;
else if ( Flag_Hou == 1)Movement = -600;
else //这里是停止的时候反转，让小车尽快停下来
{
Movement = 0;
if (Encoder_Integral > 300) Encoder_Integral -= 200;
if (Encoder_Integral < -300) Encoder_Integral += 200;
}
//=============速度PI控制器=======================//
Encoder_Least = (encoder_left + encoder_right) - 0; //===获取最新速度偏差==测量速度（左右编码器之和）-目标速度（此处为零）
Encoder *= 0.7; //===一阶低通滤波器
Encoder += Encoder_Least * 0.3; //===一阶低通滤波器
Encoder_Integral += Encoder; //===积分出位移 积分时间：40ms
Encoder_Integral = Encoder_Integral - Movement; //===接收遥控器数据，控制前进后退
if (Encoder_Integral > 21000) Encoder_Integral = 21000; //===积分限幅
if (Encoder_Integral < -21000) Encoder_Integral = -21000; //===积分限幅
Velocity = Encoder * Velocity_Kp + Encoder_Integral * Velocity_Ki; //===速度控制
if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 1 || Flag_Stop == 1) Encoder_Integral = 0;//小车停止的时候积分清零
return Velocity;
}
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函数功能：转向控制 作者：平衡小车之家
入口参数：Z轴陀螺仪
返回 值：转向控制PWM
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int turn(float gyro)//转向控制
{
static float Turn_Target, Turn, Turn_Convert = 3;
float Turn_Amplitude = 80, Kp = 2, Kd = 0.001; //PD参数
if (1 == Flag_Left) Turn_Target += Turn_Convert; //根据遥控指令改变转向偏差
else if (1 == Flag_Right) Turn_Target -= Turn_Convert;//根据遥控指令改变转向偏差
else Turn_Target = 0;
if (Turn_Target > Turn_Amplitude) Turn_Target = Turn_Amplitude; //===转向速度限幅
if (Turn_Target < -Turn_Amplitude) Turn_Target = -Turn_Amplitude;
Turn = -Turn_Target * Kp + gyro * Kd; //===结合Z轴陀螺仪进行PD控制
return Turn;
}
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函数功能：赋值给PWM寄存器 作者：平衡小车之家
入口参数：左轮PWM、右轮PWM
返回 值：无
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void Set_Pwm(int moto1, int moto2)
{
if (moto1 > 0) digitalWrite(IN1, HIGH), digitalWrite(IN2, LOW); //TB6612的电平控制
else digitalWrite(IN1, LOW), digitalWrite(IN2, HIGH); //TB6612的电平控制
analogWrite(PWMA, abs(moto1)); //赋值给PWM寄存器
if (moto2 < 0) digitalWrite(IN3, HIGH), digitalWrite(IN4, LOW); //TB6612的电平控制
else digitalWrite(IN3, LOW), digitalWrite(IN4, HIGH); //TB6612的电平控制
analogWrite(PWMB, abs(moto2));//赋值给PWM寄存器
}
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函数功能：限制PWM赋值 作者：平衡小车之家
入口参数：无
返回 值：无
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void Xianfu_Pwm(void)
{
int Amplitude = 250; //===PWM满幅是255 限制在250
if(Flag_Qian==1) Motor2-=DIFFERENCE; //DIFFERENCE是一个衡量平衡小车电机和机械安装差异的一个变量。直接作用于输出，让小车具有更好的一致性。
if(Flag_Hou==1) Motor2-=DIFFERENCE-2;
if (Motor1 < -Amplitude) Motor1 = -Amplitude;
if (Motor1 > Amplitude) Motor1 = Amplitude;
if (Motor2 < -Amplitude) Motor2 = -Amplitude;
if (Motor2 > Amplitude) Motor2 = Amplitude;
}
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函数功能：5ms控制函数 核心代码 作者：平衡小车之家
入口参数：无
返回 值：无
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void control()
{
static int Velocity_Count, Turn_Count, Encoder_Count;
static float Voltage_All,Voltage_Count;
int Temp;
sei();//全局中断开启
Mpu6050.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); //获取MPU6050陀螺仪和加速度计的数据
KalFilter.Angletest(ax, ay, az, gx, gy, gz, dt, Q_angle, Q_gyro, R_angle, C_0, K1); //通过卡尔曼滤波获取角度
Angle = KalFilter.angle;//Angle是一个用于显示的整形变量
Balance_Pwm = balance(KalFilter.angle, KalFilter.Gyro_x);//直立PD控制 控制周期5ms
if (++Velocity_Count >= 8) //速度控制，控制周期40ms
{
Velocity_Left = Velocity_L; Velocity_L = 0; //读取左轮编码器数据，并清零，这就是通过M法测速（单位时间内的脉冲数）得到速度。
Velocity_Right = Velocity_R; Velocity_R = 0; //读取右轮编码器数据，并清零
Velocity_Pwm = velocity(Velocity_Left, Velocity_Right);//速度PI控制，控制周期40ms
Velocity_Count = 0;
}
if (++Turn_Count >= 4)//转向控制，控制周期20ms
{
Turn_Pwm = turn(gz);
Turn_Count = 0;
}
Motor1 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm + Turn_Pwm; //直立速度转向环的叠加
Motor2 = Balance_Pwm - Velocity_Pwm - Turn_Pwm; //直立速度转向环的叠加
Xianfu_Pwm();//限幅
if (Pick_Up(az, KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right)) Flag_Stop = 1; //===如果被拿起就关闭电机//===检查是否小车被那起
if (Put_Down(KalFilter.angle, Velocity_Left, Velocity_Right)) Flag_Stop = 0; //===检查是否小车被放下
if (Turn_Off(KalFilter.angle, Battery_Voltage) == 0) Set_Pwm(Motor1, Motor2);//如果不存在异常，赋值给PWM寄存器控制电机
if (My_click()) Flag_Stop = !Flag_Stop; //中断剩余的时间扫描一下按键状态
Temp = analogRead(0); //采集一下电池电压
Voltage_Count++; //平均值计数器
Voltage_All+=Temp; //多次采样累积
if(Voltage_Count==200) Battery_Voltage=Voltage_All*0.05371/200,Voltage_All=0,Voltage_Count=0;//求平均值
}
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函数功能：初始化 相当于STM32里面的Main函数 作者：平衡小车之家
入口参数：无
返回 值：无
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void setup() {
pinMode(IN1, OUTPUT); //TB6612控制引脚，控制电机1的方向，01为正转，10为反转
pinMode(IN2, OUTPUT); //TB6612控制引脚，
pinMode(IN3, OUTPUT); //TB6612控制引脚，控制电机2的方向，01为正转，10为反转
pinMode(IN4, OUTPUT); //TB6612控制引脚，
pinMode(PWMA, OUTPUT); //TB6612控制引脚，电机PWM
pinMode(PWMB, OUTPUT); //TB6612控制引脚，电机PWM
digitalWrite(IN1, 0); //TB6612控制引脚拉低
digitalWrite(IN2, 0); //TB6612控制引脚拉低
digitalWrite(IN3, 0); //TB6612控制引脚拉低
digitalWrite(IN4, 0); //TB6612控制引脚拉低
analogWrite(PWMA, 0); //TB6612控制引脚拉低
analogWrite(PWMB, 0); //TB6612控制引脚拉低
pinMode(2, INPUT); //编码器引脚
pinMode(4, INPUT); //编码器引脚
pinMode(5, INPUT); //编码器引脚
pinMode(8, INPUT); //编码器引脚
pinMode(3, INPUT); //按键引脚
Wire.begin(); //加入 IIC 总线
Serial.begin(9600); //开启串口，设置波特率为 9600
delay(1500); //延时等待初始化完成
Mpu6050.initialize(); //初始化MPU6050
delay(20);
if(digitalRead(KEY)==0) { //读取EEPROM的参数
Balance_Kp = (float)((EEPROM.read(addr+0)*256)+EEPROM.read(addr+1) )/100;
Balance_Kd = (float)((EEPROM.read(addr+2)*256)+EEPROM.read(addr+3))/100;
Velocity_Kp = (float)((EEPROM.read(addr+4)*256)+EEPROM.read(addr+5))/100;
Velocity_Ki = (float)((EEPROM.read(addr+6)*256)+EEPROM.read(addr+7))/100;
}
MsTimer2::set(5, control); //使用Timer2设置5ms定时中断
MsTimer2::start(); //使用中断使能
attachInterrupt(0, READ_ENCODER_L, CHANGE); //开启外部中断 编码器接口1
attachPinChangeInterrupt(4, READ_ENCODER_R, CHANGE); //开启外部中断 编码器接口2
}
/**************************************************************************
函数功能：主循环程序体
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
void loop() {
int Voltage_Temp;
static unsigned char flag;
unsigned char Balance_Kp_Temp=0,Balance_Kd_Temp=0,Velocity_Kp_Temp=0,Velocity_Ki_Temp=0;
Voltage_Temp = (Battery_Voltage - 11.1) * 60; //根据APP的协议对电池电压变量进行处理
if (Voltage_Temp > 100)Voltage_Temp = 100;
if (Voltage_Temp < 0)Voltage_Temp = 0;
if (Flag_Stop == 0)
{
Serial.begin(9600); //开启串口，设置波特率为 9600
flag=!flag;
if(PID_Send==1)//发送PID参数
{
Serial.print("{C");
Serial.print((int)(Balance_Kp*100)); //左轮编码器
Serial.print(":");
Serial.print((int)(Balance_Kd*100)); //右轮编码器
Serial.print(":");
Serial.print((int)(Velocity_Kp*100)); //电池电压
Serial.print(":");
Serial.print((int)(Velocity_Ki*100)); //平衡倾角
Serial.print("}$");
PID_Send=0;
}
else if(flag==0)
{
Serial.print("{A");
Serial.print(abs(Velocity_Left / 2)); //左轮编码器
Serial.print(":");
Serial.print(abs(Velocity_Right / 2)); //右轮编码器
Serial.print(":");
Serial.print(Voltage_Temp); //电池电压
Serial.print(":");
Serial.print(Angle); //平衡倾角
Serial.print("}$");
}
else
{
Serial.print("{B");
Serial.print(Angle);
Serial.print(":");
Serial.print(Voltage_Temp);
Serial.print(":");
Serial.print(Velocity_Left/2);
Serial.print(":");
Serial.print(Velocity_Right/2);
Serial.print("}$");
}
delay(50);
}
else Serial.begin(128000), DataScope(); //使用上位机时，波特率是128000
if(Flash_Send==1) //写入PID参数到EEPROM,由app控制该指令
{
EEPROM.write(addr, ((unsigned int)(Balance_Kp*100)&0xff00)>>8);
EEPROM.write(addr+1, (unsigned int)(Balance_Kp*100)&0xff);
EEPROM.write(addr+2, ((unsigned int)(Balance_Kd*100)&0xff00)>>8);
EEPROM.write(addr+3, (unsigned int)(Balance_Kd*100)&0xff);
EEPROM.write(addr+4, ((unsigned int)(Velocity_Kp*100)&0xff00)>>8);
EEPROM.write(addr+5, (unsigned int)(Velocity_Kp*100)&0xff);
EEPROM.write(addr+6, ((unsigned int)(Velocity_Ki*100)&0xff00)>>8);
EEPROM.write(addr+7, (unsigned int)(Velocity_Ki*100)&0xff);
Flash_Send=0;
}
}
/**************************************************************************
函数功能：外部中断读取编码器数据，具有二倍频功能 注意外部中断是跳变沿触发
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
void READ_ENCODER_L() {
if (digitalRead(ENCODER_L) == LOW) { //如果是下降沿触发的中断
if (digitalRead(DIRECTION_L) == LOW) Velocity_L--; //根据另外一相电平判定方向
else Velocity_L++;
}
else { //如果是上升沿触发的中断
if (digitalRead(DIRECTION_L) == LOW) Velocity_L++; //根据另外一相电平判定方向
else Velocity_L--;
}
}
/**************************************************************************
函数功能：外部中断读取编码器数据，具有二倍频功能 注意外部中断是跳变沿触发
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
void READ_ENCODER_R() {
if (digitalRead(ENCODER_R) == LOW) { //如果是下降沿触发的中断
if (digitalRead(DIRECTION_R) == LOW) Velocity_R--;//根据另外一相电平判定方向
else Velocity_R++;
}
else { //如果是上升沿触发的中断
if (digitalRead(DIRECTION_R) == LOW) Velocity_R++; //根据另外一相电平判定方向
else Velocity_R--;
}
}
/**************************************************************************
函数功能：串口接收中断
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
void serialEvent()
{
static unsigned char Flag_PID,Receive[10],Receive_Data,i,j;
static float Data;
while (Serial.available()) {
Receive_Data=Serial.read();
if(Receive_Data==0x7B) Flag_PID=1; //参数指令起始位
if(Receive_Data==0x7D) Flag_PID=2; //参数指令停止位
if(Flag_PID==1)
{
Receive[i]=Receive_Data; //记录数据
i++;
}
else if(Flag_PID==2) //执行指令
{
if(Receive[3]==0x50) PID_Send=1; //获取PID参数
else if(Receive[3]==0x57) Flash_Send=1; //掉电保存参数
else if(Receive[1]!=0x23) //更新PID参数
{
for(j=i;j>=4;j--)
{
Data+=(Receive[j-1]-48)*pow(10,i-j); //通讯协议
}
switch(Receive[1])
{
case 0x30: Balance_Kp=Data/100;break;
case 0x31: Balance_Kd=Data/100;break;
case 0x32: Velocity_Kp=Data/100;break;
case 0x33: Velocity_Ki=Data/100;break;
case 0x34: break; //9个通道，预留5个
case 0x35: break;
case 0x36: break;
case 0x37: break;
case 0x38: break;
}
}
Flag_PID=0; //相关标志位清零
i=0;
j=0;
Data=0;
}
else //蓝牙遥控指令
{
switch (Receive_Data) {
//这是MinibalanceV1.0的APP发送指令
case 0x01: Flag_Qian = 1, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 0; break; //前进
case 0x02: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x03: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x04: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x05: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 1, Flag_Left = 0, Flag_Right = 0; break; //后退
case 0x06: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
case 0x07: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
case 0x08: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
//这是MinibalanceV3.5的APP发送指令
case 0x41: Flag_Qian = 1, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 0; break; //前进
case 0x42: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x43: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x44: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 1; break; //右转
case 0x45: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 1, Flag_Left = 0, Flag_Right = 0; break; //后退
case 0x46: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
case 0x47: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
case 0x48: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 1, Flag_Right = 0; break; //左转
default: Flag_Qian = 0, Flag_Hou = 0, Flag_Left = 0, Flag_Right = 0; break; //停止
}
}
}
}
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