一、引言
关于STM32两轮平衡车的设计，我想在读者阅读本文之前应该已经有所了解，所以本文的重点是代码的分享和分析。至于具体的原理，我觉得读者不必阅读长篇大论的文章，只需按照本文分享的代码自己亲手制作一辆平衡车，其原理并不言而喻了。源完整代码工程在文章末尾百度网盘链接，请需要的读者自行下载即可。
另外，由于平衡车的精髓在于PID算法的运用，有需要了解PID算法的读者可以参考以下两篇文章：
PID算法详解（代码详解篇），位置式PID、增量式PID（通用）_pid 代码-CSDN博客
PID算法详解（精华知识汇总）_小小_扫地僧的博客-CSDN博客
二、所需材料
1、STM32F03C8T6
2、MPU6050
3、蓝牙模块
4、编码电机
5、TB6612
6、电源+稳压模块
7、OLED显示模块
三、接线强调
1、TB6612接线
2、蓝牙模块与单片机之间
单片机 蓝牙模块
TX ——> RX
RX ——> TX
3、MPU6050
使用IIC通信，所以对照代码接SDA、SCL、GND、VCC、IN（中断触发线）
四、功能介绍
1、两轮平衡直立
2、蓝牙APP控制运动状态
3、遥控手柄控制
4、超声波避障
五、关键算法
PID算法对编码电机的控制
1.位置闭环控制
位置闭环控制就是根据编码器的脉冲累加测量电机的位置信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋向于零的过程。 位置闭环控制就是根据编码器的脉冲累加测量电机的位置信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋向于零的过程.
1.1理论分析
1.2控制原理图
1.3C语言实现
int Position_PID (int Encoder, int Target)
{
static float Bias, Pwm,Integral_bias,Last_Bias;
Bias=Encoder-Target;//计算偏差
Integral_bias+=Bias; //求出偏差的积分
Pwm=Position_KP*Bias+Position_KI*Integral_bias+Position_KD*(Bias-Last_Bias);Last_Bias=Bias; //保存上一次偏差
return Pwm; //输出
}
入口参数为编码器的位置测量值和位置控制的目标值，返回值为电机控制PWM(现在再看一下上面的控制原理图是不是更加容易明白了)。
第一行是相关内部变量的定义。
第二行是求出速度偏差，由测量值减去目标值。第三行通过累加求出偏差的积分。
第四行使用位置式PID控制器求出电机 PWM。第五行保存上一次偏差，便于下次调用。最后一行是返回。
然后，在定时中断服务函数里面调用该函数实现我们的控制目标:Moto=Position_PID(Encoder, Target_Position);
Set_Pwm(Moto) ;//===赋值给PWM寄存器
2、速度闭环控制
速度闭环控制就是根据单位时间获取的脉冲数(这里使用了M法测速)测量电机的速度信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋向于零的过程。
一些PID的要点在位置控制中已经有讲解，这里不再赘叙。
需要说明的是，这里速度控制20ms一次，一般建议10ms或者5ms，因为在这里电机是使用USB供电，速度比较慢，20ms可以延长获取速度的单位时间，提高编码器的采值。
2.1理论分析
根据增量式离散PID公式 根据增量式离散PID公式
Pwm+=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
e(k):本次偏差
e(k-1):上一次的偏差e (k-2):上上次的偏差
Pwm 代表增量输出
在我们的速度控制闭环系统里面只使用PI控制，因此对PID控制器可简化为以下公式:
Pwm+=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)
2.2 控制原理图
2.3 C语言实现
增量式PI控制器具体通过C语言实现的代码如下:
int Incremental_PI (int Encoder,int Target)
{
static float Bias, Pwm, Last_bias;
Bias=Encoder-Target;//计算偏差
Pwm+=Velocity_KP*(Bias-Last_bias)+Velocity_KI*Bias;//增量式PI控制器
Last_bias=Bias;//保存上一次偏差
return Pwm;//增量输出
}
入口参数为编码器的速度测量值和速度控制的目标值，返回值为电机控制PWM。
第一行是相关内部变量的定义。
第二行是求出速度偏差，由测量值减去目标值。第三行使用增量PI控制器求出电机PWM。
第四行保存上一次偏差，便于下次调用。最后一行是返回。
然后，在定时中断服务函数里面调用该函数实现我们的控制目标:
Moto=Incremental_PI(Encoder, Target_Velocity);Set_Pwm(Moto);//===赋值给对应MCU的PWM寄存器
六、关键代码分析
1、编码电机PID算法控制
#include "control.h"
#include "usart2.h"
/**************************************************************************
函数功能：所有的控制代码都在这里面
5ms定时中断由MPU6050的INT引脚触发
严格保证采样和数据处理的时间同步
在MPU6050的采样频率设置中，设置成100HZ，即可保证6050的数据是10ms更新一次。
读者可在imv_mpu.h文件第26行的宏定义进行修改(#define DEFAULT_MPU_HZ (100))
**************************************************************************/
#define SPEED_Y 100 //俯仰(前后)最大设定速度
#define SPEED_Z 80//偏航(左右)最大设定速度
int Balance_Pwm,Velocity_Pwm,Turn_Pwm,Turn_Kp;
float Mechanical_angle=8;
float Target_Speed=0; //期望速度（俯仰）。用于控制小车前进后退及其速度。
float Turn_Speed=0; //期望速度（偏航）
//针对不同车型参数，在sys.h内设置define的电机类型
float balance_UP_KP=BLC_KP; // 小车直立环PD参数
float balance_UP_KD=BLC_KD;
float velocity_KP=SPD_KP; // 小车速度环PI参数
float velocity_KI=SPD_KI;
float Turn_Kd=TURN_KD;//转向环KP、KD
float Turn_KP=TURN_KP;
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
static u8 Voltage_Counter=0;
if(PBin(5)==0)
{
EXTI->PR=1SPEED_Y?SPEED_Y:(Target_SpeedSPEED_Z?SPEED_Z:(Turn_Speed10000) Encoder_Integral=10000; //===积分限幅
if(Encoder_Integral> 1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //MOE 主输出使能
TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); //CH1预装载使能
TIM_OC4PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); //CH4预装载使能
TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); //使能TIM1
}
4、蓝牙控制
#include "usart2.h"
/**************************************************************************
函数功能：串口2初始化
入口参数： bound:波特率
返回 值：无
**************************************************************************/
void uart2_init(u32 bound)
{
//GPIO端口设置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能UGPIOB时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE); //使能USART2时钟
//USART2_TX
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2; //PA2
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//USART2_RX
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;//PA3
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//USART 初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式
USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); //初始化串口2
USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
USART_Cmd(USART2, ENABLE); //使能串口2
}
/**************************************************************************
函数功能：串口2接收中断
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
u8 Fore,Back,Left,Right;
void USART2_IRQHandler(void)
{
int Uart_Receive;
if(USART_GetITStatus(USART2,USART_IT_RXNE)!=RESET)//接收中断标志位拉高
{
Uart_Receive=USART_ReceiveData(USART2);//保存接收的数据
BluetoothCMD(Uart_Receive);
}
}
void BluetoothCMD(int Uart_Receive)
{
switch(Uart_Receive)
{
case 90://停止
Fore=0,Back=0,Left=0,Right=0;
break;
case 65://前进
Fore=1,Back=0,Left=0,Right=0;
break;
case 72://左前
Fore=1,Back=0,Left=1,Right=0;
break;
case 66://右前
Fore=1,Back=0,Left=0,Right=1;
break;
case 71://左转
Fore=0,Back=0,Left=1,Right=0;
break;
case 67://右转
Fore=0,Back=0,Left=0,Right=1;
break;
case 69://后退
Fore=0,Back=1,Left=0,Right=0;
break;
case 70://左后,向右旋
Fore=0,Back=1,Left=0,Right=1;
break;
case 68://右后，向左旋
Fore=0,Back=1,Left=1,Right=0;
break;
default://停止
Fore=0,Back=0,Left=0,Right=0;
break;
}
}
void Uart2SendByte(char byte) //串口发送一个字节
{
USART_SendData(USART2, byte); //通过库函数 发送数据
while( USART_GetFlagStatus(USART2,USART_FLAG_TC)!= SET);
//等待发送完成。 检测 USART_FLAG_TC 是否置1； //见库函数 P359 介绍
}
void Uart2SendBuf(char *buf, u16 len)
{
u16 i;
for(i=0; i 
