本项目是基于STM32F103C8T6最小系统板的智能红外循迹小车，该小车利用红外传感器模块检测地面上的黑线信号，并通过位置环变积分PID控制算法精确控制左右轮子的转速，从而实现自动跟踪黑线行驶的功能。
主控制器：采用STM32F103C8T6最小系统板 电机驱动模块：使用L298N模块控制小车的左右轮电机 红外传感器模块：采用五路红外循迹模块，用于检测地面上的黑线信号 编码电机：用于提供小车的动力和轮子转速反馈 编码器：用于测量轮子的转速 OLED显示屏：用于展示PID参数信息和调节参数 按键：用于切换不同的参数和模式
红外传感器模块通过发射红外光束并接收反射光信号，判断地面上的黑线位置。 主控制器获取红外传感器模块的数据，并将位置映射为20-80的范围，其中50为中间位置，20为偏左，80为偏右。 主控制器使用PID算法根据当前位置和目标位置计算出控制信号，精确调节左右轮子的转速。 电机驱动模块接收主控制器的控制信号，控制电机的转速和方向，使小车沿着黑线自动行驶。
使用C语言编写控制程序，以下代码只展示主要逻辑、实现红外循迹算法、PID控制逻辑、电机控制逻辑、ui逻辑
source中的i2c和mpu6050在本项目中未使用原本想姿态解算的，但时间不足未有完成
在main.c文件中
while (1) {
if (!run) { // 如果小车不在运行状态
motor_init_flg = 0; // 重置电机初始化标志位
mode_exchange(); // 切换模式
} else {
if (!motor_init_flg) { // 如果电机未初始化
motor_re_init(); // 重新初始化电机
TIM_DeInit(TIM2); // 关闭定时器2
timer_init(); // 初始化定时器
motor_init_flg = 1; // 设置电机初始化标志位
}
pid_turn(); // PID算法计算转向控制信号
speed_ctrl_start(); // 开始速度控制
OLED_ShowNum(1, 1, running_status, 3); // 在OLED显示屏上显示运行状态
printf("%.1f,%.1f\n", encoder_angular_speed_L, encoder_angular_speed_R); // 打印左右轮子的角速度因为用vofa+调参达到数据稳定当去掉这行代码轮子转速反而不稳定
key_status = Key_get(); // 获取按键状态
if (key_status == 1) { // 如果按键状态为1（表示按下了停止按键）
run = 0; // 将运行状态设置为0
motor_deinit(); // 停止电机
TIM_DeInit(TIM2); // 关闭定时器2
encoder_cursor_init(); // 初始化编码器
pid_speed_L_para.total_error = 0; // 重置PID积分
pid_speed_R_para.total_error = 0;
pid_infrared_para.total_error = 0;
}
}
}
presentation.c文件用于构建简单的用户界面，通过OLED显示屏和按键实现PID参数的调节。用状态机来改进会更好
void mode_exchange() {
static u8 mode; // 保持 mode 在函数调用之间的状态
static u8 cursor_site; // 保持 cursor_site 在函数调用之间的状态
static u8 initialized = 0; // 静态标志，标记是否已经初始化过
static u8 mode_clear_f = 0; //清屏标志
int key_status;
key_status = Key_get(); // 获取按键状态
if (!initialized) {
// 在第一次调用时初始化 mode = 1 和 cursor_site = 0
init_mode_cursor(&mode, &cursor_site);
initialized = 1;
}
site_init(); // 初始化站点
pid_para_trans(&pid_show_speed_L, &pid_speed_L_para); // 转换左轮速度PID参数
pid_para_trans(&pid_show_infrared, &pid_infrared_para); // 转换红外PID参数
switch (mode) {
case 1:
mode_clear(&mode_clear_f); // 清除模式标志位
run = 0; // 停止运行标志
show_infrared_pid(); // 显示红外PID参数
switch (cursor_site) {
case 1:
handle_mode1(base_speed, site.base_speed_line, site.base_speed_column); // 处理模式1光标闪烁
base_speed = encoder_get_cursor() / 10; // 设置基础速度
break;
case 2:
handle_kp_Default(pid_show_infrared); // 处理红外PID的kp参数
pid_infrared_para.kp = (float) (encoder_get_cursor() / 100.0); // 设置红外PID的kp参数
break;
case 3:
handle_kd_Default(pid_show_infrared); // 处理红外PID的kd参数
pid_infrared_para.kd = (float) (encoder_get_cursor() / 100.0); // 设置红外PID的kd参数
break;
case 4:
handle_ki_Default(pid_show_infrared); // 处理红外PID的ki参数
pid_infrared_para.ki = (float) (encoder_get_cursor() / 1000.0); // 设置红外PID的ki参数
break;
default:
cursor_site = 0; // 光标位置复位
}
break;
case 2:
mode_clear(&mode_clear_f); // 清除模式标志位
run = 0; // 停止运行
show_L_speed_pid(); // 显示左轮速度PID参数
switch (cursor_site) {
case 1:
handle_kp_Default(pid_show_speed_L); // 处理左轮速度PID的kp参数
pid_speed_L_para.kp = (float) (encoder_get_cursor() / 100.0); // 设置左轮速度PID的kp参数
break;
case 2:
handle_kd_Default(pid_show_speed_L); // 处理左轮速度PID的kd参数
pid_speed_L_para.kd = (float) (encoder_get_cursor() / 100.0); // 设置左轮速度PID的kd参数
break;
case 3:
handle_ki_Default(pid_show_speed_L); // 处理左轮速度PID的ki参数
pid_speed_L_para.ki = (float) (encoder_get_cursor() / 1000.0); // 设置左轮速度PID的ki参数
break;
default:
cursor_site = 0; // 光标位置复位
}
break;
default:
mode_clear(&mode_clear_f); // 清除模式标志位
OLED_ShowString(4, 5, "RUN"); // 在OLED上显示"RUN"
mode = 1; // 模式设为1
run = 1; // 开始运行
mode_clear_f = 0; // 清除模式标志位
}
if (key_status == 1) {
mode += 1; // 模式加1
mode_clear_f = 0; // 清除模式标志位
cursor_site = 0; // 光标位置复位
}
if (key_status == 2) {
cursor_site += 1; // 光标位置加1
count = 0; // 计数清零
maintain_show_val(&mode, &cursor_site); // 继承显示数值方便后续改进参数
}
}
pid_speed.c文件实现了基于位置环变积分PID算法的精确控制左右轮子的转速。
u16 pid_speed_cal(PidTypeDef *PidSpeed_L_or_R, float encoder_angular_speed) {
u16 pid_output; // 用于存储 PID 控制器的输出值，类型为无符号短整数（16位）
// 计算角速度误差，目标角速度减去实际角速度
PidSpeed_L_or_R->error = PidSpeed_L_or_R->target_val - encoder_angular_speed;
// 积分项更新，累加速度误差
PidSpeed_L_or_R->total_error += PidSpeed_L_or_R->error;
if (PidSpeed_L_or_R->total_error > 2000) { PidSpeed_L_or_R->total_error = 2000; }
if (PidSpeed_L_or_R->total_error < -2000) { PidSpeed_L_or_R->total_error = -2000; }
// 计算PID控制器的各项分量
PidSpeed_L_or_R->proportion = PidSpeed_L_or_R->kp * PidSpeed_L_or_R->error;
PidSpeed_L_or_R->integral = PidSpeed_L_or_R->ki * PidSpeed_L_or_R->total_error;
PidSpeed_L_or_R->differentiation = PidSpeed_L_or_R->kd * (PidSpeed_L_or_R->error - PidSpeed_L_or_R->last_error);
// 对积分项和输出值进行范围限制
PidSpeed_L_or_R->output =
PidSpeed_L_or_R->proportion + PidSpeed_L_or_R->differentiation + PidSpeed_L_or_R->integral;
if (PidSpeed_L_or_R->output > 300) { PidSpeed_L_or_R->output = 300; }
// 计算PID控制器输出值，*2000/300 将转速rpm转换为CCR值
pid_output = (u16) (PidSpeed_L_or_R->output * 20 / 3);
return pid_output;
}
void speed_set(PidTypeDef *PidSpeed_L_or_R, u16 rpm) {
PidSpeed_L_or_R->target_val = rpm;
PidSpeed_L_or_R->integral = PidSpeed_L_or_R->target_val / 300 * 2000;
}
infrared_sensor.c文件包含红外传感器数据处理和映射逻辑，用于将红外传感器得到的位置映射到20-80的范围。
void infrared_tell() {
R_SEN = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);
MR_SEN = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);
M_SEN = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_4);
ML_SEN = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);
L_SEN = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
if (Perfect_Normal_Running || Normal_Running) { running_status = 50; }//用宏定义
else if (Slight_Left_Deviation) { running_status = 65; }
else if (Slight_Right_Deviation) { running_status = 35; }
else if (Severe_Left_Deviation) { running_status = 80; }
else if (Severe_Right_Deviation) { running_status = 20; }
else if (Crossing) { running_status = 50; }
else if (Circle) { if (L_SEN == 0) { running_status = 30; } else { running_status = 70; }}
else if (Stop) { running_status = 0; }
}