地心一号-基于STM8的超迷你自平衡小车-DIY套件

大家好，我是起航，我又来了，这次跟大家聊聊平衡小车。了解我的朋友都知道，我极有可能会把帖子写的又臭又长，所以，，，做好准备，上车吧！

先说项目初衷：想给我外甥做个玩具。

是的，就这么简单。但是做的时候发现，呵呵~~~

外甥是2010年11月份生的，现在上小学了。萌生这个想法的时候是2016年，那时做为一名电子工程师经常在我姐面前吹牛，说我有多厉害。

我姐说，你给我做个空调吧，家里缺个空调！  我............

然后我觉得，在小朋友面前显摆一下自己有多厉害还是可以的。所以，想了想做什么合适。其实，可选项也没几个。我总不能给外甥做个流水灯、MP3、电子秤吧。

四轴飞行器目前不行，因为有螺旋桨，非常容易伤到小朋友。所以，小车是首选。当然，四个轱辘的就算了，没什么意思。要做就做两轮，这样才有成就感。

确定做什么了，然后就是收集相关资料。我把网上能搜到的大部分自平衡小车资料都下载，过了一遍，这是基本功课，必须要做好。

看完才知道，两轮自平衡车，最开始是给双腿行动不变的人设计的。但是，发明出来以后，发现它在保安、巡逻等方面作用更加明显，于是就慢慢普及开了。

国内早期的自平衡小车的方案我找到的是阿莫电子论坛的一篇帖子，2010年的，很牛逼。方案如下：

控制器：ATmega16；8MHz；
         加速度传感器：MMA2260；陀螺仪：EWTS82；
         传感器的融合：卡尔曼滤波；
         马达：EN_2342CR（速比64）+双路12脉冲编码器+CD40106对信号整形；
         驱动板芯片：CD4001+IR2111+IRF1404（驱动电流可以很大）；

 

还有图片：

注意看他的控制器和传感器，和现在的完全不一样。

那个时候AVR单片机还是很火的。他用了ATmega16，注意频率，只有8MHZ。然后是传感器：一个加速度传感器，一个陀螺仪！那个时候MPU6050貌似还没露面（我也不知道是还没被设计出来，还是没推广开，知道的可以科普下），为了获取加速度和角度，用了两个传感器。所以现在的我们还是很幸福的。

那个帖子虽然老，但是讨论了很多非常有价值的问题，有兴趣的同学可以百度：

自己做的双轮自平衡小车

链接就不放了，度娘不稳定。

 

时间当时是2016年，网上大部分的方案是STM32+MPU6050，也有一些用arduino做的。Arduino的问题我稍后再说，当时想的是：随大流！既然32的案例多，那么资料就多，出于稳妥，先买个样机玩玩吧。

当时没认真对比，随便买了个。买回来才发现，资料少的可怜。店铺名称我就不说了，这里奉劝大家，无论买什么，多咨询，多对比。否则学不好，不要怪别人。样子如图：

外形还是很霸气的，大小跟我的一只鞋差不多大，电机扭矩也很给力。但是依然弥补不了卖家配套资料不足的短板。

资料少是一方面，让我惊掉下巴的是，程序居然是用STM32的2.0的库写的。没经历过STM32库函数版本变动的同学是不会理解的，32的库从刚出来到现在相对稳定的3.5版本，变更了几次，每次都是大变样。早期的工程师叫苦不迭，甚至还有的扬言说要自己写一套库函数。

但当时是2016年，16年啊！！！3.5版本已经稳定好几年了！但是卖家提供的程序竟然是2.0版本的库函数，当然，功能是没有问题的。所以我早期的工作就是把整套程序用3.5的库重写一遍，既熟悉了程序流程，也方便了后续的调试。

资料少我忍了，又让我发现一个问题，卖家的原理图和实际硬件不配套。我耐着性子跟卖家反映了这个问题，给出的答复是：技术保密，不影响应用。

我再忍。

然后又发现一个问题，这个电路没有留JTAG或者SW接口，只有一个串口下载的接口。注意，连排针上都没有调试接口，可想而知，这个板子设计的有多失败。

到这里，我竟然已经习惯了。也无所谓了，于是就开始改程序改着玩。

前面我在把库函数版本从2.0变到3.5的时候，已经过了一遍流程。所以每段程序的功能我几乎都了解了，这套板子是STM32+MPU6050，然后使用6050内部DMP固件的方式来获取角度。这种方式获取的值的精度是很高的，而且不需要再经过滤波。但是同样的，对单片机的ROM和RAM的要求也很高。换句话说，低配的单片机玩不来！

先改哪？

就从呼声最高的PID参数开始吧。关于PID参数整定的文章，网上一搜一大堆。同样，抱怨参数不好调的文章也是一大堆。那我就改参数改着玩吧。

结果发现，无论怎么改（只要变动不是特别夸张），，，，，貌似小车都很稳定，这........和我预想的不太一样啊......

这个问题曾经困扰了我很长一段时间，直到搜了一堆相关资料又看了稚晖的文章，才解决了我的疑惑。稚晖是谁？后面再说，同样，会提到他的蛋黄，一个萌翻了的自平衡小车。

 

简单来说，平衡车好不好调，有几个因素影响：

1. 处理器性能，DMP固件的方式肯定是很好的，32没问题，但是一些低端单片机就玩不来了。这时，就需要读取原始数据，然后做一阶滤波或者卡尔曼滤波，这种方式来实现。
2. 电机性能，非常重要！！！力矩越大越好。参数整定，说是P+I+D三个，但如果电机性能好，只要P+D就够了，不需要I。现在市面上的大部分平衡车套件几乎也不需要I，毕竟加了一个参数，难度会上去很多。
3. 编码器精度。电机性能好，只能保证角度平衡，但是会朝某个方向一直跑，越跑越快，最后速度跟不上，倒下。编码器可以检测电机转了多少，不是转多少圈，是一圈的几分之几。精度高的编码器可以检测电机转了几百分之一 圈，精度低的编码器只能测 十几分之一 圈，甚至几分之一。

 

上面三点，是从硬件的角度来说的。当然，还有一些别的因素，比如说结构上，重心越低越好，体积越大越好调等。欢迎大家补充。

 

也就是说，电机性能不错，单片机性能也高，所以PID参数调节难度不大。这就尴尬了，我都做好百米冲刺的准备了，结果告诉我已经到终点了....

既然这样，那就换个玩法。现在的角度获取不是DMP方式吗？ 我不用了，换成直接读取原始数据，然后一阶滤波。

先说可行性，这个思路的可行性是没有问题的。网上普遍的反应是这个方式简单，虽然数据不是特别准，但是做小车没问题。我曾经在极客工坊论坛潜水很长一段时间，看了很多案例，这种原始数据+一阶滤波算是比较常见的。

但是有一点，极客工坊里大部分都是arduino，而arduino的晶体一般都是16MHZ，为了确保我和他们尽量处于同一起跑线，我把STM32的频率也降到了16MHZ。然后，噩梦开始了......

代码如下：
void Yijielvbo(float angle_m, float gyro_m)
{
  float dt = 0.0f;
        dt = (float)TIM_GetCounter(TIM1);
        dt = dt / 1000000;
        TIM_SetCounter(TIM1, 0);
        angel = K1 * angle_m+ (1-K1) * (angel + gyro_m * dt);
}

         dt是每次获取角度的时间间隔。使用这种方式，给我最大的感觉就是严重的滞后性。参数K1和滞后性相关，我也进行了调试，有效果，但是达不到要求。
         小车放在地上，能明显感觉到已经向一个方向偏了一段时间了，才反映过来。如果不使用一阶滤波也不用卡尔曼，可以感觉到小车的反映速度明显快很多（当然了，还是站不起来~~~）
         所以，我当时主要疑惑的问题：一阶滤波的滞后性怎么处理，是否和电机性能有关？

现在回想起来，有两个可能因素：1、STM32频率从72降到16MHZ的时候，IIC的速度可能忘了调节了；2、一阶滤波的代码可能没调好。

 

一阶滤波的方式当时试了好几天，最后忍不了了。换卡尔曼滤波吧！

这里要说一下，卖家发货时提供的程序只有一份读取DMP方式的，没有一阶滤波、也没有卡尔曼。跟卖家软磨硬泡了一下午，给我找来了一份卡尔曼的，电机驱动方向有点问题，PID参数也需要调整。
         于是我拿过来，整了一下，在16MHZ的情况下，竟然就占了起来。

卡尔曼，你是个好人！

 

到这里，角度获取的几种方式，我都已经过了一遍了。优缺点，心里也有数了。接下来，做点什么？（原谅我自己玩的比较嗨，快忘了给外甥做玩具的事了）

 

我想把程序简化一下，看看能简化到什么程度，于是开始了给这套程序瘦身。不瘦不知道，一瘦发现卖家的程序里很多没用的东西（我竟然已经习惯了这种卖家，没有情绪拨动了），于是我都逐步测试，确认没用，然后删了。

简化之前，下载到单片机里面要占用30多K，简化以后，我印象里只有15K左右了。如果使用寄存器方式编程的话，代码量还要小一些。

 

到这里，我已经清楚要给外甥做一个什么样的玩具了。这个玩具不只是给他的，也是给我自己的。

硬件电路框架还是网上普遍在用的，但是核心我已经不想用STM32了，因为没有意思。我想用STM8，因为做这个东西，8位单片机足够了。

 

这也是我做这个东西，强烈想表达的一个想法。有一段时间，我在QQ群里和网友交流技术问题的时候，经常会有一些新人提问：学8位单片机好，还是学STM32好？

为什么他们会问这样的问题？

因为32位