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基于PID算法下STM32控制的坡道行驶电动小车(2020年电赛)

3月前 作者：比特冬哥 分类：Toy博客 阅读(12) 违法举报

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了基于PID算法下STM32控制的坡道行驶电动小车(2020年电赛)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

前言

本题源于2020年TI杯大学生电子设计竞赛C题-----坡道行驶电动小车

由于手上没有MSP430/MSP432 板子，所以本篇采用stm32实现

一、题目设计

任务
利用 TI 的 MSP430/MSP432 平台，设计制作一个四轮电动小车。要求小车能沿着指定路线在坡道上自动循迹骑线行驶。小车必须独立运行，车外不能使用任何设备（包括电源）。小车（含电池）重量小于 1.5kg，外形尺寸在地面投影不大于 25cm×25cm。坡道用长、宽约 1m 的细木工板制作，允许板上有木质本色及自然木纹。木工板表面铺设画有 1cm×1cm 黑白间隔的纸条（以下简称为标记线）作为路线指示；标记线起始段为直线，平行于木板两边；标记线在坡顶转向 90°，转弯半径 20cm；标记线平行坡顶距≥30cm，距坡顶距离≤20cm；标记线总长度为 1m。停车标记为宽 1cm 长 5cm 的黑色线条，垂直于坡顶标记线。小车坡度

角示意及行驶线路顶视图如图 1 所示。
电赛坡道小车,STM32的简单应用,stm32,算法,单片机,嵌入式硬件,嵌入式实时数据库

要求

（1） 坡度角 θ=0°，电动小车能够沿标记线自动骑线行驶，在停车点停车； 小车上标记点到停车标记中心线的垂直距离误差≤2cm。停车时立即发出声音提示。小车行驶过程中，其地面投影不得脱离标记线。（15 分）

（2） 在完成（1）的基础上，电动小车能够设定行驶时间，自动控制小车匀速通过 1 米长的线路，在停车点停车。行驶时间可在 10s~20s 间设定。误差绝对值≤1s。行驶过程中不得碾压、脱离标记线。时间误差每超过1s 扣 1 分。 （20 分）

（3） 坡度角 θ=10°，完成要求（2）的动作。 （20 分）

（4） 可任意指定坡度角 θ 在 11°~30°，完成要求（2）的动作。 （20 分）

（5） 在完成（4）后，尽量增加坡度角 θ，完成要求（2）动作。 （20 分）

（6） 其他。 （5 分）

（7） 设计报告： （20 分）

二、硬件选择

1. 主控芯片
采用STM32F103c8t6作为主控芯片
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2. 电机
采用霍尔编码器电机（4个）
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3. 电机驱动
需要采用2个TB6612电机驱动，分别控制左前轮左后轮、右前轮右后轮
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4. 轮胎
选用黑色轮胎 海绵内胎，软橡胶外胎，金属轮毂（４个）
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5. 红外传感器
采用三路循迹模块
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6. 小车底板
采用铝合金底板
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7. 电池
采用7.4v 3600mah锂电池
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8. 面包板
插接导线，搭建电路
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9. 下载器
采用ST-LINK V2仿真器
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10. 其余工具零件
若干杜邦线、螺母、铜柱、螺丝刀、剥线钳等
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实物图：
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三、软件设计

1. stm32最小系统板
插在面包板上，方便引脚连接。由于stm32最小系统板没有基本定时器，所以最多可采用4个定时器( 1个高级定时器TIM1和3个通用定时器TIM2、TIM3、TIM4 )，在这里需要全部用上。

2. 定时器
TIM1：配置四个电机的PWM输出
左前：PA8 左后：PA9 右前：PA10 右后：PA11

TIM2：配置编码器模式，通道1和通道2分别作为小车左后轮编码器A、B相
PA0、PA1

TIM3：配置编码器模式，通道1和通道2分别作为小车右后轮编码器A、B相
PA6、PA7

TIM4：在中断读取TIM2、TIM3计数器（cnt）的值，设置TIM4每隔5ms溢出一次，每向上计数四次cnt的值加1，并且在中断函数中读取完cnt的值后就清零，那么每次进入TIM4溢出中断时，cnt的值都不会太大，可直接将cnt的值作为小车的当前速度。

3. 三路红外传感器
Vcc和GND连接TB6612模块上的Vcc和GND
红外输出： 左 中 右 分别接线PA2、PA3、PA4
(1) 当左右均未踩到黑线时，小车匀速直行
(2) 当左没踩到，右踩到黑线时，小车右转
(3) 当左踩到，右没踩到黑线时，小车左转
(4) 当左中右都踩到黑线时，小车停止

4. TB6612驱动
逻辑输入：
左前轮 配置为通道1　连接PB12,PB13
左后轮 配置为通道2　连接PB10,PB11
右前轮 配置为通道3　连接PB14,PB15
右后轮 配置为通道4　连接PB0,PB1

用锂电池给TB6612模块供电，即锂电池的正负极连接TB6612的Vin+和-；然后用该TB6612模块的Vout+和-连接另一块TB6612的Vin+和-，相继再用Vcc和GND与面包饭上的Vcc和GND相连，实现供电。

四、程序设计

1.　红外传感设计

void GPIOB_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	/*红外out引脚：PA2,PA3,PA4*/
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	/*初始为低电平*/
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15);

}

void Change_Target(int t_l,int t_r)
{
	target_left = t_l;
	target_right = t_r;
}

void forward(int t)
{
	Change_Target(t,t);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_15);
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_14);
}

void back(int t)
{
	Change_Target(t,t);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_14);
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_15);
}

void turn_left(int t_l,int t_r)
{
	Change_Target(t_l,t_r);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_15);
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14);
}

void turn_right(int t_l,int t_r)
{
	Change_Target(t_l,t_r);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14);
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_15);
}

void stop(void)
{
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15);
}

2.　定时器

void TIM1_PWM_Init(u16 per,u16 psc)
{
	/*使能TIM4时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);
	
	/*使能GPIO*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	/*使能AFIO*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	
	/*配置GPIO*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 |GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	/*设置重映射*/
	//GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3,ENABLE);//部分重映射	
	
	/*初始化定时器参数*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频为1分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//选择计数模式为向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;//配置周期（ARR自动重装器的值）
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;//配置PSC预分频器的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值，高级计数器才需配置
	TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	//TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);//先清除标志位，避免刚初始化就进入中断
	
	/*初始化PWM参数*/
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;   //选择空闲状态下的非工作状态 低电平
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Set;  //选择互补空闲状态下的非工作状态 低电平
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//选择PWM1模式
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//输出极性：高电平有效
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  //输出比较使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;  //互补输出比较使能
	TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC2Init(TIM1,&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC3Init(TIM1,&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC4Init(TIM1,&TIM_OCInitStructure);
	
	/*使能TIMX在CCRX上的预装载寄存器*/
	TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC2PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC3PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC4PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);
	
	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);
	
	/*使能TIMX在ARR上的预装载寄存器允许位*/
	//TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);
	
	/*开启定时器*/
	TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);
}

void TIM2_Init(u16 per,u16 psc)
{
	/*开启通用定时器TIM2和GPIO时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	/*配置时基单元*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频为1分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//选择计数模式为向上计数
	/*
	定时频率 = 72M / (PSC+1) / (ARR+1)
	*/
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;//已知编码器线数：线数*4-1
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值，高级计数器才需配置
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	/*选择时钟源，配置正交解码*/
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12,  TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//TI12:A、B项都计数
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);//缺省输入
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;  //滤波器
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);
	
	TIM_SetCounter(TIM2,0X7FFF); //TIM4->CNT=0X7FFF（65536的一半）
	/*启动定时器*/
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}

void TIM3_Init(u16 per,u16 psc)
{
	/*开启通用定时器TIM2和GPIO时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	/*配置时基单元*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频为1分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//选择计数模式为向上计数
	/*
	定时频率 = 72M / (PSC+1) / (ARR+1)
	*/
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;//已知编码器线数：线数*4-1
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;

	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值，高级计数器才需配置
	TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	/*选择时钟源，配置正交解码*/
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_BothEdge ,TIM_ICPolarity_BothEdge);//TI12:A、B项都计数
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);//缺省输入
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0;  //滤波器
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
	
	TIM_SetCounter(TIM3,0X7FFF); //TIM4->CNT=0X7FFF（65536的一半）
	/*启动定时器*/
	TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
}

void TIM4_Init(u16 per,u16 psc)
{
	/*1、开启通用定时器TIM4时钟*/
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
	
	/*2、选择时钟源为内部时钟*/
	//TIM_InternalClockConfig(TIM4);//默认为内部时钟
	
	/*3、配置时基单元*/
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频为1分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//选择计数模式为向上计数
	/*
	定时频率 = 72M / (PSC+1) / (ARR+1)
	*/
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;//配置周期（ARR自动重装器的值）
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;//配置PSC预分频器的值
	TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	/*4、使能更新中断*/
	TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);
	
	/*5、配置NVIC*/
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;//选择中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//开启中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;//抢占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//响应优先级
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	
	
	/*6、启动定时器*/
	TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);
}

3.　PID设计

int target_left,target_right;
int err_now1,err_now2;
int err_last1,err_last2;
int err_last_last1,err_last_last2;
int spd_now1,spd_now2;
int jisuan1,jisuan2;
int out_left,out_right;
int cnt_left,cnt_right;

float Kp=0.5;
float Ki=0.4;
float Kd= 0.1;
		
		cnt_left = abs((TIM2->CNT)-0X7FFF);
		cnt_right = abs((TIM3->CNT)-0X7FFF);
		
		TIM2->CNT = 0X7FFF;
		TIM3->CNT = 0X7FFF;

		
		//左电机	
		spd_now1 = cnt_left;
		err_now1 = target_left - spd_now1;
		jisuan1 = Kp*(err_now1-err_last1) + Ki*err_now1 + Kd*(err_now1+err_last_last1-2*err_last1);
		out_left += jisuan1;
		if(out_left<0)　　out_left = 0;
		if(out_left>100) 　out_left = 100; 
		TIM_SetCompare1(TIM1,out_left);	   //左前
		TIM_SetCompare2(TIM1,out_left);	  
		err_last_last1 = err_last1;
		err_last1 = err_now1;
		
		//右电机
		spd_now2 = cnt_right;
		err_now2 = target_right - spd_now2;
		jisuan2 = Kp*(err_now2-err_last2) + Ki*err_now2 + Kd*(err_now2+err_last_last2-2*err_last2);
		out_right += jisuan2;
		if(out_right<0)　　out_right = 0;
		if(out_right>100) 　out_right = 100; 	
		TIM_SetCompare3(TIM1,out_right);	 //右前轮
		TIM_SetCompare4(TIM1,out_right);
		err_last_last2 = err_last2;
		err_last2 = err_now2; 
		
		TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);

4. main文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-562043.html

int main(void)
{
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组
	GPIOB_Init();
	
	TIM1_PWM_Init(100-1,72-1);
	TIM2_Init(65535,9);
	TIM3_Init(65535,9);
	TIM4_Init(5000,72-1); 
	int i;
	
	while(1)
	{
		if(L==0 && R==0)  i=0;
		
		if(L==1 && R==0)  i=1;
		
		if(L==0 && R==1)  i=3;
		
		if(L==1 && M==1 && R==1)  i=5;
		
		switch(i)
		{
			case 0:
				forward(4);
			  break;
			
			case 1:
				turn_left(4,10);	
			  break;

			case 3:
				turn_right(10,4);
			  break;

			case 5:
				stop();
				delay_ms(1000);
			  break;
		}		
	}
}

到了这里，关于基于PID算法下STM32控制的坡道行驶电动小车(2020年电赛)的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

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  • Arduino毕业设计——基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现（毕业论文+程序源码）——自动驾驶小车控制系统

    Arduino毕业设计——基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现（毕业论文+程序源码）——自动驾驶小车控制系统

    大家好，今天给大家介绍基于Arduino+PID+AI的自动驾驶小车控制系统设计与实现，文章末尾附有本毕业设计的论文和源码下载地址哦。需要下载开题报告PPT模板及论文答辩PPT模板等的小伙伴，可以进入我的博客主页查看左侧最下面栏目中的自助下载方法哦 文章目录： 近年来，各

    2024年02月06日
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  • STM32 HAL库PID控制电机 第三章 PID控制双电机

    STM32 HAL库PID控制电机 第三章 PID控制双电机

    注：本文含全部PID控制代码，保证可以运行，如不能运行可以留言回复 1 基础配置 1.1 编码器电路图及配置 引脚 定时器通道 PA0 TIM2_CH1 PA1 TIM2_CH2 PB6 TIM4_CH1 PB7 TIM4_CH2 因此需要把TIM2、TIM4配置为编码器模式。在STM32CubeIDE中找到定时器2与定时器4，进行模式配置。以下以定时器2为

    2024年02月16日
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  • 100、基于STM32单片机自动跟随小车 红外遥控控制小车避障模式 跟随模式设计(程序+原理图+PCB源文件+流程图+硬件设计资料+元器件清单等)

    100、基于STM32单片机自动跟随小车 红外遥控控制小车避障模式 跟随模式设计(程序+原理图+PCB源文件+流程图+硬件设计资料+元器件清单等)

    智能小车通过各种感应器获得外部环境信息和内部运动状态，实现在复杂环境背景下的自主运动，从而完成具有特定功能的机器人系统。而随着智能化电器时代的到来，它们在为人们提供的舒适的生活环境的同时，也提高了制造智能化电器对于人才要求的门槛。智能小车是集

    2024年02月15日
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