基于AVR单片机: 两轮自平衡智能车

东隅

    寒假无所事事,决定做一个两轮平衡车来玩玩.个人觉得两轮自平衡车是集合所有算法的精髓.它就像蛋炒饭,最简单也是最困难.他可以用简单的算法实现,当然也可以用最复杂的控制理论来实现. 本质上来说它就是个倒立摆.

个人原创,转载请注明原文出处:
   http://www.embbnux.com/2014/02/21/avr_mcu_balance_car/
   
所需原件:
AVR单片机 : 采用之前的ATmega128开发板
传感器: ENC03陀螺仪  mma8451加速度计
电机驱动: L298n
总体思路:
使用陀螺仪测角速度,使用加速度计测角度,使用测得的这两个值进行传感器融合,获取准确的角度.由得到的角度来控制车子两个轮子的转向,转速等参数.进而实现两轮车的平衡. 传感器融合使用卡尔曼滤波算法,不得不大赞一下卡尔曼同学,给了个这么perfect的算法,传说当年挑战者号就是用的这个算法.
角度的测量:
enc03陀螺仪: 采用的这个陀螺仪是模拟量的,输出电压需要用ATmega128进行adc转换成数字量,测得电压,再转换成角速度:

1. ISR(ADC_vect){
   
2. 
   
3.   if(adc_done_flag==0){
   
4.      adc_read(adc_channel);
   
5.       if(adc_channel==1) {
   
6.        adc_channel=0;
   
7.       }
   
8.       else{
   
9.        adc_channel++;
   
10.        adc_mid_tmp0[cou]=adc_value[0];
    
11. //中值滤波
    
12.       cou++;
    
13.       if(cou==3){
    
14.           cou=0;
    
15.           if(adc_mid_tmp0[0]>adc_mid_tmp0[1]){
    
16.              mid_tmp =  adc_mid_tmp0[0];
    
17.              adc_mid_tmp0[0] =adc_mid_tmp0[1];
    
18.              adc_mid_tmp0[1] =mid_tmp;
    
19.           }
    
20.           if(adc_mid_tmp0[2]>adc_mid_tmp0[1])
    
21.              adc_mid[0]=adc_mid_tmp0[1] ;
    
22.           else if (adc_mid_tmp0[2]>adc_mid_tmp0[0])
    
23.              adc_mid[0]=adc_mid_tmp0[2] ;
    
24.           else
    
25.              adc_mid[0]=adc_mid_tmp0[0] ;
    
26.       }
    
27.    }
    
28.    adc_set_channel(adc_channel);
    
29.    adc_done_flag =1;
    
30. }
    
31. else adc_done_flag = 0;
    
32. //ADCSRA|=(1<<ADSC);
    
33. 
    
34. }
    
35. 
    

复制代码

1.     float gyro_enc03_w(unsigned int adc_value,float adc_bias){  
   
2.        float w_value;  
   
3.        //把adc采集的值转化为电压  
   
4.        w_value = (float)(adc_value)*2540/1024;  //mV  
   
5.        w_value = w_value-adc_bias;  
   
6.        //把电压转化为角速度  
   
7.        w_value = -w_value;  
   
8.        w_value = w_value/0.67;  
   
9.        return w_value;  
   
10.     }  

复制代码

mma8451加速度计: mma8451使用的I2C接口,不过没事,128上面就有一个了,这里我使用硬件I2C来实现,代码较多这里给出关键代码:

1. unsigned char i2c_mma8451_Write(unsigned char Address,unsigned char Wdata)
   
2. {
   
3.    unsigned char i;
   
4.    Start();//I2C启动
   
5.    Wait();
   
6.    if(TestAck()!=START) return 1;//ACK
   
7. 
   
8.    Write8Bit(MMA845x_IIC_ADDRESS);//写I2C 8451从器件地址和写方式
   
9.    Wait();
   
10.    if(TestAck()!=MT_SLA_ACK) return 1;//ACK
    
11. 
    
12.    Write8Bit(Address);//写x地址
    
13.    Wait();
    
14.    if(TestAck()!=MT_DATA_ACK) return 1;//ACK
    
15. 
    
16.    Write8Bit(Wdata);//写入设备ID及读信
    
17.    Wait();
    
18.    if(TestAck()!=MT_DATA_ACK) return 1;//ACK
    
19. 
    
20.     Stop();//I2C停止
    
21.    for(i=0;i<250;i++);
    
22.    return 0;
    
23. }
    
24. //mma8451初始化
    
25. //初始化为指定模式
    
26. void mma845x_init()
    
27. {   i2c_init();
    
28.     i2c_mma8451_Write(CTRL_REG1,ASLP_RATE_20MS+DATA_RATE_5MS);
    
29.     i2c_mma8451_Write(XYZ_DATA_CFG_REG, FULL_SCALE_2G); //2G
    
30.     i2c_mma8451_Write(CTRL_REG1, (ACTIVE_MASK+ASLP_RATE_20MS+DATA_RATE_5MS)&(~FREAD_MASK)); //激活状态   14bit
    
31. }
    
32. //
    
33. unsigned char i2c_mma8451_Read(unsigned char Address)
    
34. {
    
35.     unsigned char temp;
    
36.     Start();//I2C启动
    
37.     Wait();
    
38.     if (TestAck()!=START) return 0;//ACK
    
39. 
    
40.     Write8Bit(MMA845x_IIC_ADDRESS);//写入设备ID及写信号
    
41.     Wait();
    
42.     if (TestAck()!=MT_SLA_ACK) return 0;//ACK //
    
43. //
    
44.    Write8Bit(Address);//写X地址
    
45.    Wait();
    
46.    if (TestAck()!=MT_DATA_ACK) return 0; //?
    
47. //data1=TestAck();
    
48.    Start();//I2C重新启动
    
49.    Wait();
    
50.    if (TestAck()!=RE_START)  return 0;
    
51. 
    
52.    Write8Bit(MMA845x_IIC_ADDRESS+1);//写I2C从器件地址和读方式
    
53.    Wait();
    
54.    if(TestAck()!=MR_SLA_ACK)  return 0;//ACK
    
55. 
    
56.    Twi();//启动主I2C读方式
    
57.    Wait();
    
58.    if(TestAck()!=MR_DATA_NOACK) return 0;//ACK
    
59.    temp=TWDR;//读取I2C接收数据
    
60.    Stop();//I2C停止
    
61.    return temp;
    
62. }
    
63. //求出加速度原始对应数值
    
64. unsigned int get_mma8451_data(unsigned char Address){
    
65.     unsigned char x;
    
66.     unsigned int wx;
    
67.     unsigned char address_LSB;
    
68.     x = i2c_mma8451_Read(Address);
    
69.    if(Address==OUT_Z_MSB_REG)
    
70.    address_LSB= OUT_Z_LSB_REG;
    
71.    else if(Address==OUT_Y_MSB_REG)
    
72.      address_LSB= OUT_Y_LSB_REG;
    
73.    else
    
74.      address_LSB= OUT_X_LSB_REG;
    
75.      wx = ((i2c_mma8451_Read(address_LSB))|x<<8);
    
76.    return wx;
    
77. }

复制代码

使用卡尔曼滤波融合两个测量量:

1. float angle, angle_dot;         //外部需要引用的变量
   
2. //-------------------------------------------------------
   
3. float Q_angle=0.001, Q_gyro=0.003, R_angle=5.0, dt=0.01;
   
4. //注意：dt的取值为kalman滤波器采样时间;
   
5. float P[2][2] = {
   
6.               { 1, 0 },
   
7.               { 0, 1 }
   
8. };
   
9. 
   
10. float Pdot[4] ={0,0,0,0};
    
11. 
    
12. const char C_0 = 1;
    
13. 
    
14. float q_bias, angle_err, PCt_0, PCt_1, E, K_0, K_1, t_0, t_1;
    
15. 
    
16. void Kalman_Filter(float angle_m,float gyro_m)            //gyro_m:gyro_measure
    
17. {
    
18.    angle+=(gyro_m-q_bias) * dt;//先验估计
    
19. 
    
20.    Pdot[0]=Q_angle - P[0][1] - P[1][0];// Pk-' 先验估计误差协方差的微分
    
21.    Pdot[1]=- P[1][1];
    
22.    Pdot[2]=- P[1][1];
    
23.    Pdot[3]=Q_gyro;
    
24. 
    
25.    P[0][0] += Pdot[0] * dt;// Pk- 先验估计误差协方差微分的积分 = 先验估计误差协方差
    
26.    P[0][1] += Pdot[1] * dt;
    
27.    P[1][0] += Pdot[2] * dt;
    
28.    P[1][1] += Pdot[3] * dt;
    
29. 
    
30.   angle_err = angle_m - angle;//zk-先验估计
    
31. 
    
32.   PCt_0 = C_0 * P[0][0];
    
33.   PCt_1 = C_0 * P[1][0];
    
34. 
    
35.   E = R_angle + C_0 * PCt_0;
    
36. 
    
37.   K_0 = PCt_0 / E;//Kk
    
38.   K_1 = PCt_1 / E;
    
39. 
    
40.   t_0 = PCt_0;
    
41.   t_1 = C_0 * P[0][1];
    
42. 
    
43.   P[0][0] -= K_0 * t_0;//后验估计误差协方差
    
44.   P[0][1] -= K_0 * t_1;
    
45.   P[1][0] -= K_1 * t_0;
    
46.   P[1][1] -= K_1 * t_1;
    
47. 
    
48.   angle    += K_0 * angle_err;//后验估计
    
49.   q_bias    += K_1 * angle_err;//后验估计
    
50.   angle_dot = gyro_m-q_bias;//输出值（后验估计）的微分 = 角速度
    
51. }

复制代码

卡尔曼算法是要在定时器里面不断的更新,才能发挥作用.dt就是定时器的时间,这里我采用10ms.
主要算法在定时器中断里面实现:
定时器里面完成对角速度,角度的测量,卡尔曼更新,以及对电机的控制.

1. //定时器0 初始化
   
2. void timer0_init(void){
   
3.    //设置计数开始的初始值
   
4.    TCNT0 = 176 ; // 208>>6ms 176>>10ms
   
5.    //设置分频
   
6.    TCCR0 = (1<<CS02)|(1<<CS00)|(1<<CS01); //1024分频  47次6ms 62.5次8ms
   
7.    //设置中断屏蔽寄存器
   
8.    TIMSK = (1<<TOIE0);   //设置溢出使能中断
   
9. }
   
10. //定时器0溢出中断
    
11. ISR(TIMER0_OVF_vect){
    
12. 
    
13.     //设置计数开始的初始值
    
14.     TCNT0 = 176 ;  //10ms
    
15. 
    
16.     mma8451_data = get_mma8451_data(OUT_Z_MSB_REG);
    
17.     acc = mma8451_i2c_to_angel(mma8451_data);
    
18.     acc_tmp=acc;
    
19.     gyro = gyro_enc03_w(adc_mid[0],adc_bias);
    
20.     gyro_tmp = gyro;
    
21.     //卡尔曼
    
22.     Kalman_Filter(acc,gyro);
    
23. 
    
24. //控制车速
    
25. if (angle>0) {
    
26.    car_back();
    
27.    if(angle>15)
    
28.    car_speed(0x2f,0x2f);
    
29. else
    
30.    car_speed(0x4f,0x4f);
    
31. }
    
32. else if(angle<0){
    
33.     car_forward();
    
34.     if(angle<-15)
    
35.     car_speed(0x2f,0x2f);
    
36. else
    
37.    car_speed(0x4f,0x4f);
    
38. }
    
39. 
    
40. }

复制代码

对于车速的控制,这里只采用简单的开环控制,之后会采用更复制的DIP控制或者模糊控制等算法,后续持续更新，敬请关注本博客。

minehe

赞一个，就是楼主的开发板有点太大了，还是用最小系统版好

奋斗哥

赞赞赞，跟随大牛学习！

Linsen0707

MARK