stm32-seesaw

基于HAL库的stm32机器人跷跷板项目

首先使用STM32 Cube MX生成带Makefile的HAL库工程模版，然后修改Core文件夹下的用户代码，使用make命令编译，在build目录即可获得seesaw.elf等文件，接下来按下BOOT0+RESET使单片机进入下载模式，使用usb将其连接到电脑，用STM32 Cube Programmer将编译好的程序烧录进单片机。

小车为三轮，车身由铝合金框架连接构成，在其上固定有面包板，用杜邦线连接单片机、电机、蓝牙模块、电池盒与传感器，同时用扎线带等固定好分线器（位于侧面与底部）与电源模块（位于底部），具体实物图与分模块说明如下。

上面	底面	核心

侧面

单片机型号为STM32F401CCUx，具体实物如上图。定义其引脚与中断如下，详细可见seesaw.ioc，该文件可用STM32 Cube MX打开。

电机型号为MG995，使用单片机TIM1产生的PWM波驱动，实物图如下。

传感器为九轴传感器GY953，通过UART1与单片机通信，具有加速度、角加速度、欧拉角，磁场的测量功能，并且还可以以固定频率（默认50Hz）输出数据，具体使用文档可以在网络上找到，不再赘述。项目中只使用了角加速度与欧拉角，并使用其固定频率作为外部时钟中断。

蓝牙模块作为调试使用，通过UART2与单片机通信，在调试完毕后可以移除。

电源模块位于小车底部，提供恒定的5V电压源。不过当电机转速突变时，其将产生约9V的尖峰，可能会导致系统工作失常。本项目的代码通过避免速度突变使系统工作正常，不过也可通过加入电容调节。

本项目通过代码控制小车实现了以下一系列动作：

1. 上电，标定正确航向（约 3s），成功后 LED 灭
2. 在跷跷板为圆心 90° 扇形范围内，距离跷跷板 A 端 300mm 以外指定位置放置，按动 UKEY 启动，LED 亮，小车自主运动上跷跷板
3. 在 60s 内，运动到中心点 C 附近
4. 到达跷跷板左倾与右倾的欧拉角 pitch 极值点，通过平均计算出中点处 pitch 值
5. 以中点处 pitch 值运行 PID 算法，使跷跷板处于平衡状态，然后保持平衡 10s ，并给出明显的平衡指示（LED 闪烁）
6. 60s 内回到 A 端，并给出明显的到达指示（LED 闪烁）

程序完全采用中断驱动，在主函数中初始化电机、传感器等外设后，即在while (1)中使用__WFI()等待中断到来，处理相应事件。在上电后 1s ，单片机向传感器发出指令，使传感器向单片机以50Hz频率主动发送欧拉角数据。

频率为50Hz，是主要的中断源。程序的主体都在该中断下完成，中断优先级为1。

当接收到数据进入中断后，程序将进行如下处理流程

• 找到帧的开始0x5a5a
• 根据类型字段判断数据是欧拉角还是角加速度
• 角加速度
  • 如果还未按过 UKEY 按键（步骤 1）或流程已经结束（步骤 6），直接返回
  • 如果已经进入 PID 算法（步骤 4 及之后步骤），直接返回
  • 否则（未进入 PID 算法）
    • 如果 y 方向角加速度数据绝对值大于 256，系统进入不稳定状态（步骤 4），关闭电机，小车停止
    • 否则（y 方向角加速度数据绝对值小于 256）
      • 如果系统处于不稳定状态，且这种状态已经持续 1s ，系统回到稳定状态（步骤 4）
      • 如果系统初次处于稳定状态或到达规定切换时间，将传感器切换到自动发送欧拉角模式（步骤 4）
      • 如果系统不是初次处于稳定状态，且到达规定停止时间，将小车停止一段时间以避免可能的传感器漂移（步骤 4）
      • 其余情况直接返回
• 欧拉角
  • 如果处于返回阶段（步骤 6）
    • 如果已经停止，LED 闪烁
    • 如果还在后退，检测欧拉角 Yaw 值，如果发现已经水平，小车停止
  • 如果还未按过 UKEY 按键（步骤 1）
    • 如果上电后已经经过 1s 且传感器有数据（避免无效数据），取 1s 内的欧拉角 Pitch 与 Yaw 平均，以标定正航向
    • 其余情况直接返回
  • 否则（已经按过 UKEY 按键），如果还未调整好航向（步骤 2）
    • 如果检测到小车抬头，说明小车已经部分上板，调整航向到正向
    • 否则说明还未上板，继续直行
  • 否则（已经按过 UKEY 按键，并调整好航向），如果进入 PID 算法（步骤 5）
    • 利用当前 Pitch 值用 PID 算法计算速度
    • 如果速度在很小范围波动（动态平衡），计时 10s，同时 LED 灯闪烁，时间到后倒车
    • 否则（速度变化剧烈），重置定时器，小车以新的速度运行
  • 否则（已经按过 UKEY 按键，并调整好航向，但未进入 PID 算法），如果系统已经达到过一次不稳定状态，且当前不处于不稳定状态（步骤 4）
    • 如果到达规定检测时间，计算是否应当进入 PID 算法
      • 如果应当进入 PID 算法（中点测量完毕），小车停止，在下一个数据包到来后即切换到 PID
      • 否则（还在测量极值点），计算接下来的运动方向（让跷跷板再次倾倒的方向），开始运动，同时将传感器切换到角加速度模式检测不稳定状态

通过按下按键启动自主程序，是仅使用一次的重要中断，中断优先级为4。当按下UKEY后，单片机向传感器发出指令，使传感器切换为发送角加速度数据，并使小车向前运动。

是HAL_Delay()函数用到的中断，必须在最高中断优先级0，否则程序将会在中断处理时死锁。