STM32 PID 平衡车制作教程

： 2024年07月23日：教程

：阅读：≈ 5分钟：

基于 STM32F103C8T6 的 PID 平衡车项目，含直立环、速度环、转向环的详细调参与代码实现。

STM32 PID 平衡车详细教学

本文是基于 STM32F103C8T6 单片机开发的平衡小车项目。这个项目常用于广大学子的 PID 算法的入门项目，我认为 PID 应用并非很难，重要的是调参。所以调参的过程很重要。而且平衡车也相对简单，也以选择它作为学完 32 后的第一个项目（本人就是）。本人的小车添加了直立环，速度环和转向环。最后有源码和调好的视频。

一、下面介绍平衡车的硬件

一个开发板或者用面包板也可以，开发板可以自己嘉立创打板，也可以选择淘宝的亚博智能科技的开发板。
两个编码电机（520、370 都可以，只要有编码器就行），或者买直流电机再买编码器，也是可以的。
PS：如果买亚博智能科技的板子，需要买他家的电机，因为别的商家的电机接口不一样！
TB6612 电机驱动不多说，买个 10 多块的，不要图便宜买几块的，到时候小车抽搐就难受了。
HC-06 蓝牙通信模块，用于手机控制小车，也可用上位机调参。
MPU6050 陀螺仪模块，这个模块用于测量小车的三维的各种参数。
12V 可充电的锂电池，开发板应有降压模块。
OLED 0.96 屏幕，可有可无。
车模（轮胎等等）。
ST-Link 下载器（也有可用 J-Link 等下载器）。
如果要加避障功能，可以购买超声波避障模块。
适当的杜邦线，螺丝刀，电池充电器等等基础器件。

PS：可能说的不全，如果有遗漏根据自己的需求自行购买。

贴一张组装好的照片：

组装照片

二、介绍用到的单片机软件资源

3 个通用定时器分别是：TIM2、TIM3、TIM4。
1 个 USART3 串口。
OLED 和 MPU6050 的软件模拟 IIC 通信。

PS： 如果添加避障模块，应该还要一个定时器用来计时超声波模块。其他功能如果需要，自行分配单片机资源。

三、介绍主要硬件模块的使用方式

TB6612： 下面是 TB6612 的引脚图
PWMA 和 PWMB 是要从单片机输入的两个 PWM 波接收口，AIN1、AIN2 为 PWMA 的 IO 控制，对应的为右边的 A01、A02，通过控制两个 IO 口的高低电平来控制电机的正反转。同理 PWMB 也是如此。至于 VCC 和 GND 是用来上电的（要共地）。STBY 接 5V/3.3V，VM 接 12V 即可。
电机编码器：
这个图片已经介绍的很清楚了，有的电机接口不一样，要注意。
MPU6050： 这个模块涉及太多，简单应用可以去看 B 站江科大的 MPU6050 教程，这是更加详细的介绍： MPU6050 详细教程，有需要可以去看看。

四、下面是各个软件资源的分配

TIM2： 输出两路 PWM 波，开启定时中断，在中断中存放着最主要的电机控制程序，周期应该最好不要超过 10μs。
TIM3 和 TIM4： 为读取两个电机的编码值。
USART3： 用于与手机相连接。

五、接着介绍最主要的 PID 部分

六、PID 代码

（PS：直立环需 P、D，速度环需 P、I，转向环需 P、D）

1. 三环变量声明

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extern float Kp,Ki,Kd;   //直立环参数
float err;               //此次误差
float last_err;          //上次误差
float err_sum=0;         //误差累加
float err_difference;    //误差的差值

extern float VKp,VKi;    //速度环参数
float err2;               //此次误差
float filt_velocity;     //滤波后的速度
float last_filt_velocity;//上一次的滤波后的速度
float velocity_sum;

extern float tkp,tkd;//转向环
float yaw_err,yaw_err_differnence,last_yaw_err;

2. 直立环

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//直立环：
int vertical_PID_value(float measure,float calcu)
{
   err = measure - calcu;             //误差
   err_sum+=err;                      //误差的累加
   err_difference = err - last_err;   //误差的差值
   last_err = err;                    //此次误差记录为"上次误差"

   return Kp*err + Ki*err_sum + Kd*err_difference;
}

3. 速度环

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//速度环：
int velocity_PID_value(int velocity_measure,int velocity_calcu)
{
   float a=0.3;     //滤波系数（反映滤波程度）
   err2=velocity_measure-velocity_calcu;
   filt_velocity = a*err2 + (1-a)*last_filt_velocity; //一阶速度滤波

   velocity_sum+=  filt_velocity;                        //速度的累加
   I_xianfu(&velocity_sum,3000);                         //累加限幅,调参时可以去掉
   last_filt_velocity = filt_velocity;                   //此次速度记录为"上次速度"

   return VKp*filt_velocity + VKi*velocity_sum;
}

//I限幅：
void I_xianfu(float *velocity_sum,int max)
{
   if(*velocity_sum>max)  *velocity_sum=max;
   if(*velocity_sum<-max) *velocity_sum=-max;
}

4. 转向环

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//转向环
int yaw_pid_value(float yaw_measure,float yaw_calcu){
   yaw_err=yaw_measure-yaw_calcu;

   //防止临界突然转动,改变系统稳定
   if(yaw_err>=180){yaw_err-=360;}
   if(yaw_err<-180){yaw_err+=360;}

   yaw_err_differnence=yaw_err-last_yaw_err;
   last_yaw_err=yaw_err;
   return tkp*yaw_err+tkd*yaw_err_differnence;
}

七、PID 调参

PS：极性就是参数符号的正负。（所有调参时初始参数为 0，一点一点加，调极性时所有环的 PID 参数初始为 0）

1. 直立环

确立极性： 给 P 一定的值，如果发现小车有缓慢摔倒而不是促进摔倒的话，证明极性正确。
P 值： P 值不断加大直到出现低频抖动。
D 值： D 值增加后发现有一定的平衡性，加到小车可以平稳的直立，但注意此时是假平衡，他只可以站立一会，所以速度环弥补，为了引用速度环还要增加 D 值，直到出现低频的快速抖动，注意要及时关闭电机，防止电机电流过大损坏电机或其他器件。

2. 速度环（正反馈）

确定极性： 给一定 P 值，用手转动轮子，轮子很快的转动起来，证明极性正确，否则你会发现有一股力阻止你转动轮子。
工程经验： 多年来总结的经验，加入速度环之前应将直立环的参数调成原来的 0.6 倍。
增大 PI 值： 速度环 P = 200 × I，根据此关系可以一起调两个值，逐渐增大，直到出现平稳状态，如果出现一些抖动，可适当增大直立环的 D 值来抑制系统。

3. 转向环

还是要确定极性：和速度环差不多。
调参： 首先转向环可以有三种组合方式：纯 P 控制，P + D 控制，P + D + I 控制。如果只有 P，调法很简单，极性确认完之后，P 从 0 往上加，直到你满意的效果为止。如果 P 大了，就会出现过冲现象，即给小车一个角度理论值后（或者用手拨弄一下小车）车头会左右摆动几下才稳定，此时就可以加入 D 来抑制过冲，也是从 0 开始往上加，观察到过冲越来越小，直到你满意为止，如果 D 太大了，小车会抽搐（高频率小幅度震荡），要避免这种现象发生，这就是最常用的 P + D 控制。如果你想追求更高的精度，消除稳态误差，那么加一点点 I 就可以了，即 P + D + I 控制，不过这个稳态误差一般可以忽略不计，如果你稳态误差很大，考虑是不是 P 太小了。

PS：调参视频可观看：平衡车调参教程或更加详细的调参教程

八、控制代码部分

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void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
        if(MPU6050_DMP_Get_Data(&pitch,&roll,&yaw)==0)
    {
            measure = roll;                                     //roll测量值
            calcu = zhongzhi;                                   //roll理论值
            measure_yaw=yaw;
            velocity = ( read_encoder2() + read_encoder1() )/2; //速度测量值

          //PID计算：直立环+速度环
            PWM = vertical_PID_value(measure, calcu) + 1.88555*velocity_PID_value(velocity,ad_v);
            //1.88555这个系数可以有也可没有,用pid参数可以弥补,1.88555就是我大概试出来的一个范围然后瞎打的
            PWM_yaw=yaw_pid_value(measure_yaw,calcu_yaw);

            //转向环计算
            pwm_left=PWM-PWM_yaw;
            pwm_right=PWM+PWM_yaw;

            PWM_Xianfu(5000,&PWM);      //PWM限幅,速度环调参时可以先去掉

            SETPWM_left(pwm_left);SETPWM_right(pwm_right);
            if(motor_flag) {SETPWM_left(pwm_left);SETPWM_right(pwm_right);} //给电机PWM
            else           {SETPWM_left(0);SETPWM_right(0);} //关闭电机
    }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
    }
}