基于STM32的平衡小车学习笔记
这个还是个记录帖子，纯当做学习笔记来写,没有任何技术含量，喵~
直立环：
直立环是保证小车平衡的第一步，采用的是PD算法（为什么要采用PD算法我还是不太明白，看大家都是这样做的）买的编码器电机，商家附赠的PID开发指南也说这里是增量PID（更不明白了）
首先要找出其机械中值，先根据小车直立与倒下，观察发生变化的欧拉角（我的是roll角），先让小车濒临倒下，观察倒下瞬间的roll角，另一个倒下的方向按照同样的方法再记录一次，两者相加再÷2得出的数值就是机械中值，同时机械中值也是作为直立环中的“期望角度”，真实的角度就是实际根据MPU6050测出的实时的roll角
至于PD算法中的D，是微分的意思，意思就是对roll角进行微分，roll角的微分，就是角速度，正好可以由MPU6050读出，而在这里，roll对应的微分就是x轴的角速度，所以这里直接用Kd * GyroX，当然看到其他的是Kd * 两次误差的值，也可以
根据PID算法中的PD的概念，可以简单得出直立环的函数如下：
int ZhiLiHuan_Control(float MiddleAngle, float RealAngle, float gyro_X)
{
int OutPut;
OutPut = ZhiLiHuan_Kp * (RealAngle - MiddleAngle) + ZhiLiHuan_Kd * gyro_X;
return OutPut;
}
速度环：
借用roll角来维持平衡这个很符合大家的常理，但是为什么还需要速度环？当初自己非常不理解，看到有个帖子说，只靠直立环，小车是无法达到平衡的，是因为直立环只可以保证当平衡的角度出现偏差的时候，小车需要通过直立环保持平衡，但是忽略了该以一个什么样的速度去这样做
想象一下平衡小车就像一个站在滑板上的人。如果只靠角度控制（就像这个人只看自己是不是快要摔倒来调整身体），当滑板开始滑动时，他可能会手忙脚乱。
但是如果有速度环，就相当于这个人不仅看自己是不是要摔倒，还会关注滑板滑动的速度。当滑板滑动太快，他就会主动控制速度让它慢下来。例如，平衡小车在倾斜后会因为重力作用开始加速运动，速度环能在这个时候 “拉住” 小车，不让它因为速度越来越快而失控。
从另一个角度看，没有速度环，小车可能会像一个钟摆一样，在平衡位置附近来回大幅度摆动。而速度环可以像一个阻尼器一样，减少这种摆动，使小车更快地稳定在平衡位置。
平衡小车的速度环的目的是为了抵消直立环产生的速度，让小车保持平衡时的同时转速为0(理论值)。速度的控制关键点在于消除静差，因此需要引入积分运算，而不需要微分运算
速度环采用的是PI控制器，既然有P，就说明参数需要有速度，由于当小车平衡的时候（理想状态），小车的轮子速度是0，所以速度环中，我们的期望值就是0，实际速度是将左右两个编码器的数值相加再除以2
这里比较特殊的就是低通滤波，为什么需要用低通滤波，查了一下，感觉有个非常好的说法：
因为编码器只能用离散值采样连续值，会产生量化误差，导致采集的速度发生突变，不得不来回校准。由于噪声和干扰的存在，速度信号可能会出现波动，导致电机的实际速度与设定速度之间存在偏差。低通滤波代码也很简单，就一行代码的事情
积分限幅：了解过一点PID的都知道，由于单片机使用的都是些离散的数据，所以这里都是用累加的方法代替真实意义上的积分概念，由于PID控制在我的代码里面是每隔10ms执行一次，所以积分如果放着不管，1s内，哪怕是极小的小误差，最终都会让这个“累加”的结果的数值变得超级大，除非系统完全没有误差（想想都不可能），所以可以看做积分是一直作用的
下面就是我的代码：
int SpeedHuan_Control(int Target_Speed,int encoder_L,int encoder_R)
{
static int Error_DiTong_Last; //前次低通滤波输出值
static float DiTong_Rate = 0.7; //低通滤波a值，取经验值为0.7
int Error_Now, Err_LowOut, OutPut; //本次速度误差值，本次低通滤波后的误差值，速度环输出值
SpeedHuan_Ki = SpeedHuan_Kp / 200; //ki取经验值 为 kp/200
//1、计算偏差值
Error_Now = (encoder_L + encoder_R) - Target_Speed;
//2、对本次误差值进行低通滤波
Err_LowOut = (1 - DiTong_Rate) * Error_Now + DiTong_Rate * Error_DiTong_Last;
Error_DiTong_Last = Err_LowOut; //将本次低通滤波输出值记录下来
//3、积分
Encoder_Sum += Err_LowOut; //编码器积分值等于其自身累加
//4、积分限幅(-20000~20000)
if(Encoder_Sum > 20000) Encoder_Sum = 20000;
if(Encoder_Sum < -20000) Encoder_Sum = -20000;
//5、速度环计算
OutPut = SpeedHuan_Kp * Err_LowOut + SpeedHuan_Ki * Encoder_Sum;//Kp * 速度偏差滤波值 + Ki * 真实速度积分
return OutPut;
}
转向环：
转向环顾名思义，就是用来控制转向的，虽然说有了前面的直立环 + 速度环的作用，只要可以耐心调好PID参数，小车是可以平衡的，但是你会发现小车会趁你不注意一点点的偏离原来的方向，航向突然斜了，如果你不在意，是可以不需要这个转向环的，不过看大家都弄了，所以我也加入了转向环
转向环我这里只用了一个P算法，目标转向当然是0，我不想让他乱跑别的方向，实际的方向可以说就是偏航角Yaw的数值嘛，这个没啥可说的，感觉是最简单的
int TurnningHuan_Control(float Yaw, int TargetSpeed_turn)
{
int OutPut;
OutPut = TurnningHuan_Kp * (Yaw - TargetSpeed_turn); //将偏航角减去目标转向值得到误差，再与Kp相乘
return OutPut;
}
串级PID：
这里附上商家附赠的PID开发指南里面的一张图片：
根据这张图片，我们可以得知平衡小车采用的并非普通的PID算法，而是一种“串级PID”
串级PID不理解没关系，但是根据图片，我们可以得知对于直立环，其输入不止来源于其设定的理想值（这里是机械中值），还包括速度环的输出
所以我们的核心控制函数中，我们应该先算出速度环，将速度环的输出值，再加上直立环的理想输入值（机械中值），作为直立环的输入，由此将速度环与直立环组合，构成串级PID，我的代码如下：
SpeedHuan_Output = SpeedHuan_Control(Target_Speed, Encoder_Left, Encoder_Right); //PI速度环控制器输出角度值
ZhiLiHuan_Output = ZhiLiHuan_Control(SpeedHuan_Output + Middle_Angle, Roll, gyrox);//PD直立环输出PWM Med_Angle 即机械中值，加上平衡时角度偏移量用以修正
TurnningHuan_Output = TurnningHuan_Control(Yaw, Target_turn);
如果不考虑转向环，直立环的输出结果就可以直接作为PID控制后的PWM输入值，直接作用给编码器电机即可
如果说加入转向环，首先我们知道，小车转向的原理就是两边的轮子分别向相反的方向转动，小车即可实现转向，代码如下：
Motor1 = PID_out - TurnningHuan_Output; //左右电机的PWM 一边减去一边加上 便形成了差速转向
Motor2 = PID_out + TurnningHuan_Output;
至于哪边是加哪边是减（Motor1应该是PID-转向环还是PID+转向环），可以根据实际情况修改嘛，加入开启后小车偏的越来越厉害，就反过来加减即可
最后再加上速度限幅与抬起检测
抬起检测：
相信大家都遇到过，就是当我们用手拿起平衡小车的时候，小车会猛烈加速，直到达到我们设定的速度最大值，为什么会这样？原因如下：由于小车被拿起，直立环因为没有地面支撑，而无法正常发挥修正角度的作用，直立环没有办法像在地面上那样通过调整电机扭矩来修正角度（没有地面摩擦，转来转去都无法直立）
紧接着，就是速度环的误差累计（积分作用），速度环由于误差一直存在而不断累积，这种累计误差作用给电机就会使电机达到最大转速，造就了用手拿起平衡小车的时候，小车会猛烈加速的现象
可以通过检测Z轴加速度是否发生变化来判断是否被拿起，毕竟正常情况下小车都是在地面工作的Z轴加速度一般不会变化的（我懒得写了，所以不放代码，这里只记录一种思路）
摔倒检测：
如果小车一次性受到极大的外力，小车就算PID调的很好，也会倒下，我这里使用了判断Roll角的变化来判断极端情况，假设小车摔倒了，就让点击速度设置为0，同时消除积分累加（这个非常重要！！！！，不然等人为扶正后小车由于没消除积分累加，会突然加速又倒下了）
if(Roll > 25 || Roll < -25)
{
Motor_SetSpeed(0, 0);
Encoder_Sum = 0;
}
总结：
自己石粒很菜，是个飞舞，就算自己跟着教程来，一步一步构建代码，硬件也是自己买的（甚至有几次都买错型号的了），PCB也是自己一步步搭建的（也因为自己技术不成熟，打板了4次才成功，前几次PCB是自己设计的，但是发现接上电源后不知道为什么供电很差，供电效果都不太好）自己焊接的（最开始焊接技术不怎么样，焊坏了好几个板子），做出来也感觉非常不容易
不过我自己也从这次项目中收获到了很多，也明白了自己还有很多需要学习，未来再好好努力吧！争取学习完FreeRTOS也能做一个小项目（暂定是基于STM32的智能手表），然后就可以准备找实习了，整个大学四年也快要结束了......加油加油！！