题目背景:

涉及一款加持力保持不变的机械手,有参数要求,这里只展示原理。

解决方案:

采用离传感器和PID算法,单片机为STM32F4系列,力传感器采用应变式,电机采用无刷电机加减速器。控制效果好。机械上采用滚珠丝杠传动,非标零件3D打印。
传感器做了卡尔曼滤波,不过参数调不好,运算速度还慢。

图片效果:

实物图片丢失,只剩模型了,模型中只有一个机械手,另一个对称,没有画出。

代码:

需要引入arm的数学库,想加速运算,还可以开启浮点运算单元。

主函数

初始化一些外设,按键、电机、压力传感器。

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "motor.h"
#include "sensor.h"
#include "timer.h"
#include "arm_math.h"
u16 EXPECT=2000;
extern float32_t xkh;
int main(void)
{   NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2uart_init(115200); delay_init(168);    printf("kaishi\r\n");motorinit();Init_HX711pin(); delay_ms(500);Get_Maopi(); manualoperation_init();  //手动操作相关初始化automode_init();
//  KEY_Init(); //忘了啥程序了  好像没用
//  motorstart();  //这是回零程序
//  limitswitch_init();TIM3_Int_Init(1000-1,8400-1);    //定时器时钟84M,分频系数8400,所以84M/8400=10Khz的计数频率,计1000次为100msprintf("kai123shi\r\n");while(1){//          Get_Weight();
//          motorpid();printf("F=%d,PWM=%d,E=%d\r\n",zout,pwmout,iError);delay_ms(10);  }
}

按键的初始化

设置了四个按键,分别控制:加紧、松开、紧急停止、自动加紧。
key.c

#include "key.h"
#include "delay.h"
#include "motor.h"
#include "timer.h"
#include "sensor.h"
#include  "usart.h"
//按键初始化函数
void KEY_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);//使能GPIOA,GPIOE时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4; //KEY0 KEY1 KEY2对应引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOE2,3,4
}
void manualoperation_init(void)
{GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;EXTI_InitTypeDef   EXTI_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);//使能SYSCFG时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA,GPIOE时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE);//使能GPIOA,GPIOE时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_2;//对应引脚PA0~2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN ;//下拉  (不一定 要看买回来的按键模块)GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  //初始化GPIOA0GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//对应引脚PA0~2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN ;//下拉  (不一定 要看买回来的按键模块)GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);  //初始化GPIOA0SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource2);//PA3 连接到中断线3SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOC, EXTI_PinSource1);//PA1 连接到中断线4SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource3);//PA0 连接到中断线0/* 配置EXTI_Line0 */EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3|EXTI_Line1|EXTI_Line2 ;//LINE0~2EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//中断事件EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; //上升沿触发 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;//使能LINE0EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);//配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn;//外部中断3  急停NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;//抢占优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;//子优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;//外部中断1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;//抢占优先级1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;//子优先级2NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn;//外部中断2NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;//抢占优先级2NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;//子优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置
}
//外部中断3服务程序,,停车
void EXTI3_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖if(STOPKEY==1)     {printf("ting\r\n");TIM_Cmd(TIM3,DISABLE); TIM_SetCompare1(TIM14,1);     //停车}        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3); //清除LINE3上的中断标志位
}   //中断1 手动前进程序,
void EXTI1_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖if(FOEWARDKEY==1)  {//      if(KEYFORWARD==1)
//          {printf("qian\r\n");TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);MOTORDIRECTION=FORWARD;TIM_SetCompare1(TIM14,arr);     //
//      }}       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1); //清的中断标志位
}
//中断2  手动后退程序
void EXTI2_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖if(BACKWARDKEY==1)     {//          if(KEYBACK==1)
//          {   printf("hou\r\n");TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);MOTORDIRECTION=BACKWORD;TIM_SetCompare1(TIM14,arr);
//          }               }        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line2); //清诚的中断标志位
}
void limitswitch_init(void)
{GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;EXTI_InitTypeDef   EXTI_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);//使能SYSCFG时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);//使能,GPIOE时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6;//对应引脚Pe3~4GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP  ;//上拉  (不一定 要看买回来的按键模块)GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);  //初始化GPIOe0
//
//      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;//对应引脚Pe3~4
//  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式
//  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100M
//  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP  ;//下拉  (不一定 要看买回来的按键模块)
//  GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);  //初始化GPIOe0SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOE, EXTI_PinSource6);//PE4 连接到中断线4SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOE, EXTI_PinSource5);//PE5 连接到中断5EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line6|EXTI_Line5;//LINEEXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//中断事件EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; //上升沿触发 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = DISABLE;//使能LINEEXTI_Init(&EXTI_InitStructure);//配置
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI4_IRQn;//外部中断
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;//抢占优先级0
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;//子优先级0
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道
//  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置
//  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =EXTI9_5_IRQn;//外部中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;//抢占优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00;//子优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = DISABLE;//使能外部中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置}
// 已经回到零位停车程序
void EXTI4_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖printf("hLL\r\n");if(KEYFORWARD==1)  {TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);TIM_SetCompare1(TIM14,1);     //停车   }       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line4); //清诚的中断标志位
}
//走到最前方了停车程序,
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖if(KEYBACK==0||KEYFORWARD==0)    {TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);TIM_SetCompare1(TIM14,1);     //停车   }       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5); //清诚的中断标志位 EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6); //清诚的中断标志位
}
void automode_init(void)
{GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;EXTI_InitTypeDef   EXTI_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);//使能SYSCFG时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);//使能GPIOA,GPIOE时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//对应引脚Pe3~4GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN ;//下拉  (不一定 要看买回来的按键模块)GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);  //初始化GPIOA0SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOE, EXTI_PinSource0);//PE4 连接到中断线4EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;//LINEEXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//中断事件EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; //上升沿触发 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;//使能LINEEXTI_Init(&EXTI_InitStructure);//配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;//外部中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;//抢占优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02;//子优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能外部中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置
}
extern u8 timerstate;
//自动程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{delay_ms(10);  //消抖if(AUTOSTARTKEY==1)    { EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); //清诚的中断标志位
//      timerstate=0;//    printf("11");TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);  }
}
void Reciprocatingmotion(void)
{u16 i;if(KEYFORWARD==0){printf("11");for(i=arr;i>1;i--){TIM_SetCompare1(TIM14,i);delay_ms(3);}MOTORDIRECTION=BACKWORD;delay_ms(1000);for(i=1;i<arr;i++){TIM_SetCompare1(TIM14,i);delay_ms(3);}                   //delay_ms(1000);}if(KEYBACK==0){printf("22");for(i=arr;i>1;i--){TIM_SetCompare1(TIM14,i);delay_ms(3);}MOTORDIRECTION=FORWARD;delay_ms(1000);for(i=1;i<arr;i++){TIM_SetCompare1(TIM14,i);delay_ms(3);}                 delay_ms(1000);}
}

key.h

#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
#include "sys.h"
#include "sensor.h"
#define KEYFORWARD      PEin(5)     //PE4 回零接近开关
#define KEYBACK         PEin(6)     //PE3
#define KEY2        PEin(2)     //P32
#define AUTOSTARTKEY        PEin(0)     //启动自动程序按键,是PE0,
#define STOPKEY PAin(3)  //pa3作为急停按钮
#define FOEWARDKEY PCin(1)  //pa1作为前进按钮
#define BACKWARDKEY PAin(2)  //PA2作为后退按钮
void KEY_Init(void);    //IO初始化
u8 KEY_Scan(u8);        //按键扫描函数
void manualoperation_init(void);
void limitswitch_init(void);
void automode_init(void);
extern void Get_Weight(void);
#endif

电机

电机采用PWM控制,PWM对应着电机电流
motor.h

#ifndef __MOTOR_H
#define __MOTOR_H
#include "sys.h"
#define BACKNOTOVER         1       //格根据限位开关决定01
#define MOTORDIRECTION PFout(10)    // DS1
#define FORWARD 0
#define BACKWORD 1
定时器时钟是84mhz
#define psc 20  //分频系数7-1
#define arr 399  //计数初值1200-1
#define KP 5
#define KI 2
#define KD 0
void motorinit(void);
void motorstart(void);
void motorpid(void);
#endif

motor.c

#include "delay.h"
#include "motor.h"
#include "sys.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include "sensor.h"
#include "arm_math.h"
u16 pwmval=1;//pwm比较值最大是arr,有效是119-1199
void motorinit(void)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);//GPIOF9,MOTORDIRECTIONGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;//GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);GPIOF10,MOTORDIRECTION
///MOTORSPEED  pwm得设置//RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM14,ENABLE);     //   GPIO_PinAFConfig(GPIOF,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_TIM14); //端口复用GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;           //GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;        //服用功能GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;      //推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;        //上拉GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);              //???PF9TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;  //TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;   //TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM14,&TIM_TimeBaseStructure);////TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性是:急性第TIM_OC1Init(TIM14, &TIM_OCInitStructure);  /、TIM_OC1PreloadConfig(TIM14, TIM_OCPreload_Enable);  //TIM_ARRPreloadConfig(TIM14,ENABLE);// TIM_Cmd(TIM14, ENABLE);  //TIM_SetCompare1(TIM14,pwmval);// 修改占空比比较值
}
void motorstart(void)
{//回零程序while(KEYBACK==BACKNOTOVER)      //回零程序{MOTORDIRECTION = FORWARD;TIM_SetCompare1(TIM14,300);}TIM_SetCompare1(TIM14,1);     //停车
}struct  PID
{s32 setpoint;//设定目标s32 sum_error;//误差累计s32 proportion;//比例常数s32 integral;//积分常数s32 derivative;//微分常数s32 last_error;//e[-1]s32 prev_error;//e[-2]
}PID1={900,0,KP,KI,KD,0,0};
extern float32_t xkh;
int pwm;
int pwmout;
s32 iError;
void motorpid(void)
{s32 now;/*pwm的范围适50-500数值,要注意各个量的转化*/now=(s32)(zout*0.01);  //传感器50以内的返回值都是杂波iError=PID1.setpoint-now;  //当前误差PID1.sum_error+=iError;if(PID1.sum_error>150)PID1.sum_error=150;if(PID1.sum_error<-150)PID1.sum_error=-150;  //积分项限制pwm =(int) (PID1.proportion * iError + PID1.integral * PID1.sum_error + PID1.derivative * (PID1.last_error-iError));PID1.prev_error=PID1.last_error; //存储误差,便于下次计算PID1.last_error=iError;pwm =pwm*0.06;pwmout=pwm;if(pwm>0) {MOTORDIRECTION = FORWARD;pwm+=40;}if(pwm<0){      MOTORDIRECTION=BACKWORD;pwm=(-pwm)+40;}if(pwm>250) pwm=250;TIM_SetCompare1(TIM14,pwm);
}

力传感器

直接输出的是电压信号,一般都外接模块转成数字信号,其读数并非什么通信协议,逻辑参见淘宝。
本人尝试引入arm数学库,开启浮点运算单元,加速运算。
sensor.h

#ifndef __HX711_H
#define __HX711_H
#include "sys.h"
#define HX711_SCK PBout(0)// PB0
#define HX711_DOUT PBin(1)// PB1
extern void Init_HX711pin(void);
extern u32 HX711_Read(void);
extern s32 my_HX711_Read(u8);
void Get_Weight(void);
void Get_Maopi(void);
extern s32 HX711_Buffer;
extern s32 Weight_Maopi[4];
extern s32 Weight_Shiwu;
extern u8 Flag_Error;
#endif

sensor.c

#ifndef __HX711_H
#define __HX711_H
#include "sys.h"
#define HX711_SCK PBout(0)// PB0
#define HX711_DOUT PBin(1)// PB1
extern void Init_HX711pin(void);
extern u32 HX711_Read(void);
extern s32 my_HX711_Read(u8);
void Get_Weight(void);
void Get_Maopi(void);
extern s32 HX711_Buffer;
extern s32 Weight_Maopi[4];
extern s32 Weight_Shiwu;
extern u8 Flag_Error;
#endif

定时器

控制PID周期,略。

说明手稿:




全部资料下载:

https://download.csdn.net/download/renzemingcsdn/16387516

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