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实验8. 实现平衡小车直立时处于静止状态

一．实验目的：通过实现平衡小车直立时处于静止状态实验，进一步学习PID调试的基本方法，通过实际调试最终使平衡小车初步实现直立时处于静止状态。

二．实验过程及分析：本实验主要是通过实际的调试PID各个参数，实现小车的直立静止，进一步积累PID调试经验。

学习要点：PID调试的基本方法，实际动手调试

PID调试的基本方法:

直立控制：PD 控制，这是最核心的控制，其他的控制都是相对直立控制而言都     是干扰。

速度控制：PI 控制 对编码器信息进行低通滤波可以削弱电机控制的比重，提高系统稳定性。

转向控制：PD 控制 结合了 Z 轴陀螺仪 PD 控制。

速度控制：PI 控制 速度的调制本质上是通过调整小车的角度来实现的。

具体的调试过程可以首先逐步增加比例参数，小车能够在一定平衡点附近来回运动。然后再逐步增加积分参数，小车就会很快停留在平衡点处。 使用外力冲击小车， 小车能够很快趋于静止。 然后再逐步增加比例和积分控制参数，使得小车抵抗外部干扰冲击的能力逐步增强。当比例和积分参数达到一定的数值后，小车开始出现摆动现象。至此可以知道比例和积分的大体范围。在此范围内通过几次调整测试，可以初步确定速度控制参数的最佳组合。

转向控制：PD 控制

具体的调试过程可以首先逐步增加比例参数，当该参数逐步增加时，小车方向回复速度逐步加快。当比例参数增加到一定数值之后，小车的方向回复由于过快，会出现方向过冲现象。此时通过增加微分控制参数可以抑制这种方向过冲的现象。通过几次组合测试，可以选择一组合适的比例控制和微分控制参数使得车模方向控制即迅速又不会出现过冲现象。

三．实验现象:小车初步保持直立静止状态。

视频地址：http://player.youku.com/player.php/sid/XMTMxNjA2ODYyMA==/v.swf

四.实验总结：本次实验的主要目的是学习如何调试PID各个参数，使小车处于初步直立静止状态，但效果还不是很好，有待继续调试PID参数，从而使小车更好地实现处于直立静止状态。

实验9.实现平衡小车绕圈圈

一．实验目的：通过实现平衡小车绕圈圈实验，学习让小车自动走出指定路线的方法，通过实际调试最终实现了平衡小车绕圈圈行走。

学习要点：根据小车指定的行走路线设定小车的行走方向，具体在中断里面如何进行设置，实际调试参数，具体参考下面的代码

/**************************************************************************

函数功能：5MS定时中断函数 5MS控制周期

入口参数：无

返回  值：无

作    者：平衡小车之家

**************************************************************************/

int FiveMsCount=0,Balance_Pwm,Velocity_Pwm,Turn_Pwm;

void TIM1_UP_TIM16_IRQHandler(void)

{

if(TIM1->SR&0X0001)//5ms定时中断

{

TIM1->SR&=~(1<<0); //===清除定时器1中断标志位

readEncoder();                         //===读取编码器的值

if (FiveMsCount < 450)

{

Flag_Qian = 1,Flag_Hou = 0,Flag_Left = 0,Flag_Right =1;

}

else if(FiveMsCount==450)

{

FiveMsCount=0;

Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1;

}

FiveMsCount++;

Led_Flash(400);                                          //===LED闪烁;

Get_battery_volt();                                      //===获取电池电压

key(100);                                                //===扫描按键状态

Get_Angle(Way_Angle);                                    //===更新姿态

Balance_Pwm =balance(Angle_Balance,Gyro_Balance);        //===平衡PID控制

Velocity_Pwm=velocity(Encoder_Left,Encoder_Right);       //===速度环PID控制

Turn_Pwm    =turn(Encoder_Left,Encoder_Right,Gyro_Turn); //===转向环PID控制

Moto1=Balance_Pwm+Velocity_Pwm-Turn_Pwm;                 //===计算左轮电机最终PWM

Moto2=Balance_Pwm+Velocity_Pwm+Turn_Pwm;                 //===计算右轮电机最终PWM

Xianfu_Pwm();                                            //===PWM限幅

if(Turn_Off(Angle_Balance,Voltage)==0)                   //===如果不存在异常

Set_Pwm(Moto1,Moto2);                                    //===赋值给PWM寄存器

}

}

改变小车的转向速度和绕圈的半径

修改int turn(int encoder_left,int encoder_right,float gyro)函数里面Turn_Amplitude的大小

Turn_Amplitude=310/Way_Angle;

该值越大，小车的转向速度越大，绕圈的半径越小。

三．实验现象:小车在不停地绕圈圈

四.实验总结：本次实验的主要目的是学习如何让小车自动走出指定路线的方法，注意在进入中断时要先清除标志位，然后读取编码器数据，再执行其他指令。

视频：小车在不停地绕圈圈

实验10.实现平衡小车绕八字行走

本实验是对上一个实验实现平衡小车绕圈圈的完善，所以实验目的和实验过程及分析与上一个实验差不多，只是把指定路线改为八字。

接下来直接看代码

/**************************************************************************

函数功能：5MS定时中断函数 5MS控制周期

入口参数：无

返回  值：无

作    者：平衡小车之家

**************************************************************************/

int FiveMsCount=0,Balance_Pwm,Velocity_Pwm,Turn_Pwm;

void TIM1_UP_TIM16_IRQHandler(void)

{

if(TIM1->SR&0X0001)//5ms定时中断

{

TIM1->SR&=~(1<<0); //===清除定时器1中断标志位

readEncoder();                                           //===读取编码器的值

if (FiveMsCount < 501)

{

Flag_Qian = 1,Flag_Hou = 0,Flag_Left = 0,Flag_Right =1;

}

else if(FiveMsCount==501)

{

Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;

}

else if(FiveMsCount<1002)

{

Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=1,Flag_Right=0;

}

else if(FiveMsCount>=1002)

{

FiveMsCount=0;

Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;

}

FiveMsCount++;

Led_Flash(400);                                          //===LED闪烁;

Get_battery_volt();                                      //===获取电池电压

key(100);                                                //===扫描按键状态

Get_Angle(Way_Angle);                                    //===更新姿态

Balance_Pwm =balance(Angle_Balance,Gyro_Balance);        //===平衡PID控制

Velocity_Pwm=velocity(Encoder_Left,Encoder_Right);       //===速度环PID控制

Turn_Pwm    =turn(Encoder_Left,Encoder_Right,Gyro_Turn); //===转向环PID控制

Moto1=Balance_Pwm+Velocity_Pwm-Turn_Pwm;                 //===计算左轮电机最终PWM

Moto2=Balance_Pwm+Velocity_Pwm+Turn_Pwm;                 //===计算右轮电机最终PWM

Xianfu_Pwm();                                            //===PWM限幅

if(Turn_Off(Angle_Balance,Voltage)==0)                   //===如果不存在异常

Set_Pwm(Moto1,Moto2);                                    //===赋值给PWM寄存器

}

}

改变小车的转向速度和绕圈的半径

修改int turn(int encoder_left,int encoder_right,float gyro)函数里面Turn_Amplitude的大小

Turn_Amplitude=310/Way_Angle;

该值越大，小车的转向速度越大，绕圈的半径越小。

实验现象:小车在绕八字行走

实验总结：本次实验的主要目的是学习如何让小车自动走出指定路线的方法，注意在进入中断时要先清除标志位，然后读取编码器数据，再执行其他指令，另外小车在突然改变方向时，要缓冲一下。

视频：小车在绕八字行走

实验11.实现小车自主避障

一、实验目的：通过小车自主避障实验，学习超声波测距相关知识，并实现小车的自主避障。

二．实验过程及分析：本实验首先需要通过阅读超声波模块的相关资料，掌握超声波测距的方法，然后学习如何使小车在蓝牙控制的同时也能实现避障功能。

学习要点：超声波测距知识点，小车自主避障

超声波测距知识点：

首先看看超声波模块长什么样子

接口定义：

Vcc、 Trig（控制端）、 Echo（接收端）、 Gnd

本产品使用方法：控制口发一个 10US 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.

一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测

距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。

超声波模块测距原理：

 应用注意事项：

1：此模块不宜带电连接，如果要带电连接，则先让模块的 Gnd 端先连接。否则会影响

模块工作。

2：测距时，被测物体的面积不少于 0.5 平方米且要尽量平整。否则会影响测试结果。

主要相关代码：

初始化函数 TIM2_Cap_Init，把 TIM2 的 CH4 初始化为输入捕获

/**************************************************************************

函数功能：定时器2通道4输入捕获

入口参数：入口参数：arr：自动重装值  psc：时钟预分频数 

返回  值：无

**************************************************************************/

void TIM2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)

{  

RCC->APB1ENR|=1<<0;    //TIM2 时钟使能 

RCC->APB2ENR|=1<<2;     //使能PORTA时钟     

GPIOA->CRL&=0XFFFF00FF; 

GPIOA->CRL|=0X00008200;//Pa.2 推挽输出    Pa.3 输入 

  TIM2->ARR=arr;   //设定计数器自动重装值   

TIM2->PSC=psc;   //预分频器 

TIM2->CCMR2|=1<<8; //CC1S=01  选择输入端 IC1映射到TI1上

  TIM2->CCMR2|=0<<12;  //IC1F=0000 配置输入滤波器 不滤波

  TIM2->CCMR2|=0<<10;  //IC2PS=00  配置输入分频,不分频 

TIM2->CCER|=0<<13;  //CC1P=0 上升沿捕获

TIM2->CCER|=1<<12;  //CC1E=1  允许捕获计数器的值到捕获寄存器中

TIM2->DIER|=1<<4;    //允许捕获中断

TIM2->DIER|=1<<0;    //允许更新中断

TIM2->CR1|=0x01;     //使能定时器2

MY_NVIC_Init(1,3,TIM2_IRQn,1);

}

在 TIM2 的中断服务函数里面实现脉宽测量

/**************************************************************************

函数功能：超声波回波脉宽读取中断

入口参数：无

返回  值：无

作    者：平衡小车之家

**************************************************************************/

void TIM2_IRQHandler(void)

{              

 u16 tsr;

tsr=TIM2->SR;

if((TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获

{

if(tsr&0X01)//溢出

{     

if(TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了

{

if((TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了

{

TIM2CH4_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次

TIM2CH4_CAPTURE_VAL=0XFFFF;

}else TIM2CH4_CAPTURE_STA++;

}  

}

    if(tsr&0x10)//捕获1发生捕获事件

     {

if(TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿 

{   

TIM2CH4_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次高电平脉宽

TIM2CH4_CAPTURE_VAL=TIM2->CCR4; //获取当前的捕获值.

TIM2->CCER&=~(1<<13); //CC1P=0 设置为上升沿捕获

   }else   //还未开始,第一次捕获上升沿

   {

TIM2CH4_CAPTURE_STA=0; //清空

TIM2CH4_CAPTURE_VAL=0;

TIM2CH4_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿

TIM2->CNT=0; //计数器清空

TIM2->CCER|=1<<13;  //CC1P=1 设置为下降沿捕获

}     

     }               

   }

 TIM2->SR=0;//清除中断标志位   

}

调用 Read_Distane 函数实现对超声波模块的触发和对回波脉宽的测量

/**************************************************************************

函数功能：超声波接收回波函数

入口参数：无

返回  值：无

**************************************************************************/

u16 TIM2CH4_CAPTURE_STA,TIM2CH4_CAPTURE_VAL;

void Read_Distane(void)

{   

 PAout(2)=1;    //Trig（控制端）产生一个10us以上的高电平

 delay_us(15);  

 PAout(2)=0;

if(TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕获到了一次高电平

{

Distance=TIM2CH4_CAPTURE_STA&0X3F;

Distance*=65536; //溢出时间总和

Distance+=TIM2CH4_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间

Distance=Distance*170/1000;

//printf("&d \r\n",Distance);

TIM2CH4_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获

}

}

注意：单片机定时器的个数有限，TIM2 也是平衡小车左路编码器的接口。但是如果采集超声波的话，就不再采集这一路编码器。 然后改用 右路编码器近似算出左路编码器的值。

int Balance_Pwm,Velocity_Pwm,Turn_Pwm;

int TIM1_UP_IRQHandler(void)  

{    

if(TIM1->SR&0X0001)//5ms定时中断

{   

  TIM1->SR&=~(1<<0);                                       //===清除定时器1中断标志位  

Encoder_Right=Read_Encoder(4);                           //===读取编码器的值

#if MODE_BIZHANG==1 

  Encoder_Left=Encoder_Right;                            //===避障模式，左路编码器直接由右路编码器近似，并取消转向环中的编码器使用，只用Z轴陀螺仪

#else 

Encoder_Left=-Read_Encoder(2);                         //===读取编码器的值，因为两个电机的旋转了180度的，所以对其中一个取反，保证输出极性一致

  #endif

......

小车自主避障：在避障时候，蓝牙遥控依然可以使用，但是小车检测到前方 0.5 米有障碍会自动后退。

关键代码：

 #if MODE_BIZHANG==1

  if(Distance<500)  

{

Movement+=700 ; 

    if(1==Flag_Qian)

Movement=700;

}

  #endif

三．实验现象:小车能够自主避障，也就是通过蓝牙控制小车的运动，当超声波模块检测到小车前方 0.5 米处有障碍时会自动后退。

四．实验总结：通过本次实验学习了利用超声波测距的相关知识和注意事项，并学习了如何实现小车的自主避障，避免了蓝牙控制和超声波避障的冲突。

视频：平衡小车自主避障

视频地址：http://player.youku.com/player.php/sid/XMTM1Njk5ODQyOA==/v.swf

实验12.平衡小车跟踪移动物体

一、实验目的：通过平衡小车跟踪移动物体实验，学习如何利用超声波模块来实现小车跟踪移动物体的功能。

二．实验过程及分析：本实验主要是根据上一个实验实现小车自主避障，修改关键代码使小车能够跟踪移动的物体。

平衡小车跟踪移动物体代码分析：当超声波模块检测到平衡小车距离前面的物体小于 0.5 米时会自动跟踪物体

#if MODE_BIZHANG==1

if(Distance<500)

{

Movement-=250 ;

if(1==Flag_Hou)

Movement=-250;

}

#endif

三．实验现象:平衡小车实现了跟踪移动物体的功能。

四．实验总结：通过本次实验学习了如何利用超声波模块来实现小车跟踪移动物体的功能，同时也避免了蓝牙控制和超声波避障的冲突。

视频：平衡小车跟踪移动物体