STM32智能平衡车项目实战：PID控制算法与蓝牙通信技术的应用

一、项目概述

项目目标和用途

本项目旨在设计和实现一款基于STM32单片机的平衡车。平衡车是一种新型的个人交通工具，广泛应用于短途出行、休闲娱乐等场景。通过本项目，我们希望能够实现一款具备良好稳定性和操控性的平衡车，能够在不同的地形上自如行驶。

解决的问题和带来的价值

平衡车的核心问题在于如何保持其平衡。传统的平衡车往往依赖于复杂的控制算法和高精度的传感器。通过本项目，我们将利用STM32的强大计算能力和多种传感器的结合，解决平衡控制的问题，提高平衡车的稳定性和安全性。此外，平衡车的设计将为用户提供更为便捷的出行方式，提升生活质量。

二、系统架构

系统架构设计

本项目的系统架构主要由以下几个部分组成：

1. 控制单元：STM32单片机作为核心控制器，负责数据处理和控制算法的实现。

2. 传感器模块：包括陀螺仪和加速度计，用于实时获取平衡车的姿态信息。

3. 驱动模块：电机驱动模块，负责控制平衡车的前进、后退和转向。

4. 通信模块：无线通信模块（如蓝牙或Wi-Fi），用于与手机或其他设备进行数据交互。

选择的硬件和技术栈

系统架构图

控制

数据采集

无线通信

姿态信息

STM32单片机

电机驱动模块

MPU6050传感器

HC-05蓝牙模块

三、环境示例和注意事项

环境示例

注意事项

1. 电源管理：确保电源电压和电流满足各个模块的需求，避免因电源不足导致系统不稳定。

2. 传感器校准：在使用MPU6050之前，需进行校准，以确保获取的数据准确。

3. 代码调试：在调试过程中，建议逐步测试每个模块，确保其功能正常后再进行整体集成。

四、代码实现

在本节中，我们将详细介绍平衡车各个模块的代码实现，包括控制模块、传感器模块和电机驱动模块。每个模块的代码都将附有详细的说明，最后将展示模块之间的时序图。

4.1 控制模块

控制模块的主要功能是接收传感器数据，计算所需的电机速度，并根据控制算法调整电机的运行状态。我们将使用PID控制算法来实现平衡控制。

代码示例

#include "stm32f10x.h"
#include "MPU6050.h"
#include "Motor.h"

// PID控制参数
#define KP 1.0f  // 比例系数
#define KI 0.1f  // 积分系数
#define KD 0.01f // 微分系数

float previous_error = 0; // 上一次误差
float integral = 0;       // 积分值

// 计算PID控制输出
float CalculatePID(float setpoint, float measured_value) {
    float error = setpoint - measured_value; // 计算误差
    integral += error;                        // 积分
    float derivative = error - previous_error; // 微分
    previous_error = error;                   // 更新上一次误差

    // PID输出
    return (KP * error) + (KI * integral) + (KD * derivative);
}

// 控制循环
void ControlLoop(void) {
    float angle = GetAngle(); // 获取当前角度
    float speed = CalculatePID(0.0f, angle); // 计算电机速度
    SetMotorSpeed(speed); // 设置电机速度
}

int main(void) {
    SystemInit(); // 系统初始化
    MPU6050_Init(); // 初始化MPU6050传感器
    Motor_Init(); // 初始化电机驱动模块

    while (1) {
        ControlLoop(); // 持续执行控制循环
    }
}

代码说明

4.2 传感器模块

传感器模块负责获取平衡车的姿态信息。我们使用MPU6050传感器来获取加速度和角速度数据，并计算出当前的倾斜角度。

代码示例

#include "MPU6050.h"
#include "I2C.h"

// MPU6050寄存器地址
#define MPU6050_ADDR 0x68
#define PWR_MGMT_1 0x6B
#define ACCEL_XOUT_H 0x3B
#define GYRO_XOUT_H 0x43

// 初始化MPU6050
void MPU6050_Init(void) {
    I2C_Init(); // 初始化I2C
    I2C_WriteByte(MPU6050_ADDR, PWR_MGMT_1, 0x00); // 唤醒MPU6050
}

// 读取MPU6050数据
void ReadMPU6050(int16_t *ax, int16_t *ay, int16_t *az, int16_t *gx, int16_t *gy, int16_t *gz) {
    uint8_t buffer[14];
    I2C_ReadBytes(MPU6050_ADDR, ACCEL_XOUT_H, buffer, 14); // 读取14个字节的数据

    // 解析加速度和陀螺仪数据
    *ax = (int16_t)((buffer[0] << 8) | buffer[1]);
    *ay = (int16_t)((buffer[2] << 8) | buffer[3]);
    *az = (int16_t)((buffer[4] << 8) | buffer[5]);
    *gx = (int16_t)((buffer[8] << 8) | buffer[9]);
    *gy = (int16_t)((buffer[10] << 8) | buffer[11]);
    *gz = (int16_t)((buffer[12] << 8) | buffer[13]);
}

// 计算倾斜角度
float GetAngle(void) {
    int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz;
    ReadMPU6050(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz); // 读取传感器数据

    // 计算倾斜角度（使用简单的低通滤波器）
    float angle = atan2(ay, az) * 180.0 / M_PI; // 计算倾斜角度（单位：度）

    return angle; // 返回计算得到的角度
}

代码说明

4.3 电机驱动模块

电机驱动模块负责控制平衡车的前进、后退和转向。我们将使用L298N电机驱动模块来控制直流电机的正反转。

代码示例

#include "Motor.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"

// 定义电机控制引脚
#define MOTOR_A_PWM_PIN GPIO_Pin_6 // PWM引脚
#define MOTOR_A_DIR_PIN GPIO_Pin_7 // 方向引脚
#define MOTOR_B_PWM_PIN GPIO_Pin_8 // PWM引脚
#define MOTOR_B_DIR_PIN GPIO_Pin_9 // 方向引脚

// 初始化电机驱动模块
void Motor_Init(void) {
    // 配置GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_A_PWM_PIN | MOTOR_A_DIR_PIN | MOTOR_B_PWM_PIN | MOTOR_B_DIR_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度50MHz
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 初始化GPIO
}

// 设置电机速度
void SetMotorSpeed(float speed) {
    if (speed > 0) {
        // 正转
        GPIO_SetBits(GPIOA, MOTOR_A_DIR_PIN); // 设置方向
        GPIO_ResetBits(GPIOA, MOTOR_B_DIR_PIN); // 设置方向
    } else {
        // 反转
        GPIO_ResetBits(GPIOA, MOTOR_A_DIR_PIN); // 设置方向
        GPIO_SetBits(GPIOA, MOTOR_B_DIR_PIN); // 设置方向
    }

    // 设置PWM信号
    speed = fabs(speed); // 取绝对值
    if (speed > 100) speed = 100; // 限制最大速度
    TIM_SetCompare1(TIM2, speed); // 设置PWM占空比
}

代码说明

4.4 模块之间的时序图

以下是各个模块之间的时序图，展示了数据流和控制逻辑的顺序。

STM32单片机

MPU6050传感器

电机驱动模块

初始化传感器

传感器初始化完成

读取传感器数据

返回加速度和角速度数据

计算当前角度

计算电机速度 (PID控制)

设置电机速度

loop

[控制循环]

STM32单片机

MPU6050传感器

电机驱动模块

时序图说明

1. 初始化阶段：

2. STM32单片机向MPU6050传感器发送初始化命令，传感器完成初始化后返回确认信息。

3. 控制循环：

4. 在控制循环中，STM32单片机定期向MPU6050传感器请求数据，获取加速度和角速度信息。

5. 传感器返回读取到的加速度和角速度数据。

6. STM32单片机根据传感器数据计算当前的倾斜角度。

7. 使用PID控制算法计算出电机的速度。

8. 最后，STM32单片机将计算出的电机速度发送给电机驱动模块，控制电机的转动方向和速度。

五、项目总结

本项目成功设计并实现了一款基于STM32单片机的平衡车，主要功能和实现过程如下：

1. 项目目标：

2. 设计一款具备良好稳定性和操控性的平衡车，能够在不同地形上自如行驶。

3. 系统架构：

4. 系统由控制单元（STM32单片机）、传感器模块（MPU6050）、电机驱动模块（L298N）和无线通信模块（HC-05）组成。

5. 采用了PID控制算法来实现平衡控制，确保平衡车在行驶过程中保持稳定。

6. 模块实现：

7. 控制模块：负责接收传感器数据，计算电机速度，并通过PID控制算法调整电机的运行状态。

8. 传感器模块：使用MPU6050传感器获取加速度和角速度数据，并计算出当前的倾斜角度。

9. 电机驱动模块：通过L298N电机驱动模块控制电机的正反转和速度。

10. 代码实现：

11. 代码结构清晰，模块化设计使得各个功能模块之间的耦合度低，便于后续的维护和扩展。

12. 采用了适当的注释和说明，确保代码逻辑易于理解。

13. 未来改进方向：

14. 可以考虑增加更多的传感器（如GPS、超声波传感器等）以增强平衡车的功能。

15. 进一步优化PID控制算法，提高平衡车的响应速度和稳定性。

16. 增加手机APP控制功能，提升用户体验。

作者：极客小张