教你輕松DIY藍牙遙控平衡小車

【背景描述】

出于業余愛好，以及學習自動化控制PID理論，經過多種選擇后決定制作平衡車進行實際操練。剛開始試著用單純的裸機，完成直立控制，然后慢慢的又增加了屏幕顯示，用于參數調整顯示，再然后用藍牙透傳進行串口遙控，并且增加用遙控器進行PID參數調增。增加這些功能以后，再進一步逐漸的增加功能，就需要進行在多任務的時間調配上進行更嚴格分配，每增加一個功能，都需要重新調整在這個上面花費了不少時間。

例如，在屏幕的顯示上，由于需要較多時間進行數據端口的模擬，耗費大量時間，如果需要增加多個參數顯示，相應的屏幕程序就需要更多時間，就會改變整個程序的時間分配，平衡車直立控制就會不穩定，難與調試。由于上面的困擾，并且之前2010年的時候一個偶然機會了解到了RT-Thread實時操作系統，決定試著用操作系統的理念進行編寫，可以省去在裸機調試時間分配的困擾。由于裸機我用了STM32F103C8T6芯片只有64KB，我本人懶于修改硬件，嘗試修剪RTT，用盡可能少的組件，手動的把3.0.4版本去掉外圍，只用內核。

在內核上把平衡車的控制分為直立控制、藍牙控制、屏幕控制、以及原來的LED控制，后續增加超聲波，指南模塊等。盡可能使用現成的元件搭建起實物原型，然后再不斷增加功能，從擴充的過程中完成控制理論的學習和對實時操作系統的掌握。由于有限的代碼空間也進一步鍛煉代碼的精簡訓練。

【開發環境】

主控：STM32F103C8T6

編譯環境:MDK5.23

RT-Thread版本:RT-Thread 3.0.4內核

【硬件設計】

電池：用的是圓柱鋰電池?？梢灾苯佑贸潆妼毨锩娴匿囯姵?，外加三串保護板。做成12V鋰電。

主控板：最小系統板

電機驅動模塊： 利用了里面的5V電源

LCD模塊：12684

電機：

電機用的GB37電機，是一款使用霍爾傳感器編碼器的測速模塊，配有13 線強磁碼盤，A B 雙相輸出共同利用下，通過計算可得出車輪轉一圈時，脈沖數可達30132=780 個，單相也可以達到390 個，精度足夠能讓平衡小車無所不能。

其實霍爾編碼器還是不夠精確的，會在快速轉動的時候漏掉編碼，為此我調試了很久。

遙控器用組成：ARDUINO2560+joystick+hc05藍牙組成。

超聲波模塊：

三軸傳感器：MPU6050

硬件系統用搭模塊的方式組成，之間的連接可以全部用杜邦線連接。

電路原理圖由于手工需要的時候接上去的，沒有畫，其實完全可以自己動手手動連接一下。

總的功能原理圖如下：

原理功能圖，用的是老圖了?；径际沁@個原理。器件上，陀螺儀用的是MPU6050。主控：STM32F103CT8最小系統板。

【軟件設計】

工程概覽：

線程初始化：

主要線程定義：

小車控制線程

藍牙遙控協議解析:

超聲波線程：

目前代碼優化不夠，還很多用全局變量傳遞參數。

器件驅動（參考部分開源代碼）->直立控制->速度控制->方向控制->無線藍牙控制(含遙控對控制參數的調整)

【關鍵代碼解析】

我所做的不同是，角度用的是PI控制、速度用PID、方向用了PI，我在角度、速度、方向上都加進了PID控制。程序代碼難理解的部分也是PID部分。后期會在進一步改進中模糊控制相應的PID控制參數。根據不同速度、角度判斷是否進行積分。這是最耗費時間的。例如目前小車碰到障礙物時，無法前進，速度的積分控制在這時應當停止，目前還未做改進。

以下是控制直立的關鍵代碼。保證每5毫米執行一次，完成角度采集，角度控制，方向控制，速度控制的周期。

int car_run(void) { float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f; unsigned char more=0; long quat[4];// unsigned long sensor_timestamp=0; float Pitch; // short gyro[3], accel[3], sensors;// int stop=0; float angle_out,speed_out,direction_out; float car_zero_angle=-1.78; // static int run_err=0; char numf[20]; dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors, &more); if ((sensors & INV_WXYZ_QUAT))//&&(more<10) ? ?{ ? ? ? ? ? q0=quat[0] / q30; ? ? ? ? ? q1=quat[1] / q30; ? ? ? ? ? q2=quat[2] / q30; ? ? ? ? ? q3=quat[3] / q30; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Pitch ?= asin(2 * q1 * q3 - 2 * q0* q2)* 57.3; ? ? ? ? ? sprintf(numf,"A:%2.3f*",Pitch); ? ? ? ? ? sping_english8x8(0 , 2 ,numf) ; ? ? ? if (Pitch>20||Pitch<-20) stop = 1; ? ? ? ? ? angle_out = AngleControl(Pitch,gyro[1],car_zero_angle,stop); ? ? ? ? ? velocity_proc(&speed_out,&direction_out,speed_set,direction_set,stop); ? ? ? ? ? ? ? ? ? MotorOutput(angle_out,speed_out,direction_out,stop); ? } ? ? else ? ? ? ? ? ?{ ? ? ? ? ? ? ? ? ?if ((sensors & INV_WXYZ_QUAT)&&(more==0))run_err++; ? ? ? ? ? ? ?} ?return run_err; }

Rt_thread由于資源限制，僅僅用了內核部分，利用了內核的線程調度功能，共創建了三個線程。關鍵點是在于三個線程的優先級別設置，這也是在設計平衡車對實時要求的一種體現。最關鍵的是車的平衡，設置為最高優先級，并且MPU6050的硬件要求5MS進行一次讀數據?？臻e時間之外可以進行藍牙串口傳輸的解析工作，把遙控指令傳給速度控制進程。

/* init hxlcd thread */ init_thread = rt_thread_create("hxlcd", hxlcd_thread_entry,RT_NULL,256, 15, 20); if (init_thread != RT_NULL) rt_thread_startup(init_thread); /* init car control thread */ init_thread = rt_thread_create("car_run", car_control_thread,RT_NULL, 512, 10, 20); if (init_thread != RT_NULL) rt_thread_startup(init_thread); /* init car Protocol thread */ init_thread = rt_thread_create("car_Pro", car_Protocol_thread, RT_NULL,2024, 11, 20); if (init_thread != RT_NULL) rt_thread_startup(init_thread);

【RT-Thread使用情況介紹】

該小車僅僅使用了RT-Thread內核，原本打算使用設備管理，但是編譯后發現代碼量大了后決定設備管理也不用。