【OpenMV+STM32】PID控制二维自由舵机色块追踪

一、所用工具

1、芯片：STM32F407ZGT6

2、CubeMX

3、KEIL5

4、OpenMV 

5、舵机

二、实现功能

        利用由两个自由舵机组装而成的二维云台来控制OpenMV的位置，以实现追踪指定阈值色块的效果。

三、CubeMX配置

3.1 初始化配置

3.2 定时器配置（PWM波输出）

        这里我使用TIM3的通道1和TIM4的通道1分别实现对两个舵机的控制，由于我购买的舵机所需要的频率为50Hz（如下图）所以下面的PWM频率均是按照50Hz配置的。

        TIM4的配置同理。

3.3 串口通信配置（与OpenMV和电脑通信）

        为了方便后续的调试，所以建议同时开启与OpenMV和电脑的通信，即打开两个串口。USART1是用来和电脑通信的，USART2是用来与OpenMV通信的。

        USART2的配置同理。

四、OpenMV配置

        这是OpenMV中寻找色块，并通过串口PA4，PA5发送中心点位置以及长度和宽度的代码，可以直接复制到OpenMV IDE中。需要注意的是，在OpenMV中UART_RX—P5 ------ UART_TX—P4。

import time
import sensor
import math
import image
import ustruct
from pyb import UART


uart = UART(3, 115200, timeout_char=200)
uart.init(115200, bits=8, parity=None, stop=1)  # init with given parameters

threshold_index = 0                             # 0 for red, 1 for green, 2 for blue
thresholds = [
    (30, 100, 15, 127, 15, 127),  # generic_red_thresholds
    (30, 100, -64, -8, -32, 32),  # generic_green_thresholds
    (0, 30, 0, 64, -128, 0),      # generic_blue_thresholds
    (82, 100, 75, -49, -22, 31),  # generic_white_thresholds
    (21, 83, 32, 65, 31, 63),
]

sensor.reset()
sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)
sensor.set_framesize(sensor.QVGA)# QVGA的中心坐标：160,120
sensor.skip_frames(time=2000)    # 跳过2000毫秒的帧让相机图像在改变相机设置后稳定下来
sensor.set_auto_gain(False)      # 必须关闭才能进行颜色跟踪
sensor.set_auto_whitebal(False)  # 必须关闭才能进行颜色跟踪
clock = time.clock()

def find_max(blobs):
    max_size=0
    for blob in blobs:
        if blob.pixels() > max_size:
            max_blob = blob
            max_size = blob.pixels()
    return max_blob


def send_data(x,y,w,h):
    global uart;
    FH = bytearray([0xb3,0xb3])     # 帧头
    uart.write(FH)                  # 写到串口

    uart.write(str(x))
    uart.write(bytearray([0x20]))   # 发送空格
    uart.write(str(y))
    uart.write(bytearray([0x20]))
    uart.write(str(w))
    uart.write(bytearray([0x20]))
    uart.write(str(h))

    uart.write(bytearray([0x20]))
    FH = bytearray([0x0d,0x0a])     # 帧尾,换行和回车的ascll
    uart.write(FH)



while True:
    clock.tick()
    img = sensor.snapshot()
    blobs = img.find_blobs([thresholds[threshold_index]])

    #如果找到了目标颜色
    if blobs:
        max_blob = find_max(blobs)
        cx=max_blob[5]
        cy=max_blob[6]
        cw=max_blob[2]
        ch=max_blob[3]

        # 这些值取决于max_blob不是圆形的，否则它们将不稳定.
        # 检查max_blob是否显著偏离圆形
        if max_blob.elongation() > 0.5:
            img.draw_edges(max_blob.min_corners(), color=(255, 0, 0))
            img.draw_line(max_blob.major_axis_line(), color=(0, 255, 0))
            img.draw_line(max_blob.minor_axis_line(), color=(0, 0, 255))

        # 这些值始终是稳定的。
        # img.draw_rectangle(max_blob.rect())
        img.draw_rectangle(160,120,35,35)
        img.draw_cross(cx, cy)

        # 注意-max_blob旋转仅限于0-180。
        img.draw_keypoints(
            [(cx, cy, int(math.degrees(max_blob.rotation())))], size=20
        )

        send_data(cx,cy,cw,ch)      # 发送数据

        print(cx,cy,cw,ch)
        print(clock.fps())
   

五、KEIL代码修改

5.1 串口重定义

        在usart.c的最后加入重定义代码。

/* USER CODE BEGIN 1 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

/* USER CODE END 1 */

         在usart.h的开头加入include。

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

5.2 串口回调函数

       用到的变量初始化，大家自行放到main.c中的相应位置。

#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
 
#define RXBUFFERSIZE  256
 
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE],rx_buf[RXBUFFERSIZE];
uint8_t aRxBuffer;
uint8_t Uart1_Rx_Cnt = 0;
int flag=0;
 
printf("Hello World!\r\n");
HAL_Delay(200);
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);

        这段代码放在main.c中，这里为了方便确定OpenMV与STM32之间有数据传输，加入了翻转LED灯，大家可以有需要可以自己再配置一下LED，不用的话可自行删除。

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    UNUSED(huart);
	if(huart==&huart2){
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF,LED_Pin);		//有数据则翻转LED灯
 
		RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt] = aRxBuffer;
		Uart1_Rx_Cnt++;
		if((RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] == 0xb3)&&(RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] == 0xb3)) flag=1;		 //帧头判定
		else if((RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] == 0x0d)&&(RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] == 0x0a)) flag=2;  //帧尾判定
		else flag=0;
 
		switch (flag)
        {
        	case 1:
				Uart1_Rx_Cnt = 0;
				memset(RxBuffer,0x00,sizeof(RxBuffer));
        		break;
        	case 2:
				RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] = '\0';
				RxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] = '\0';
				strcpy(rx_buf,RxBuffer);
				printf("%s\r\n",rx_buf);
				while(HAL_UART_GetState(&huart2) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX);
				Uart1_Rx_Cnt = 0;
				memset(RxBuffer,0x00,sizeof(RxBuffer));
        		break;
			default:break;
        }
	HAL_UART_Receive_IT(&huart2, (uint8_t *)&aRxBuffer, 1);
	}
}
/* USER CODE END 4 */

5.3 加入pid控制文件

5.3.1 pid.c

        由于两个舵机分别控制横向和纵向的移动，所以此处定义了两个句柄和两个pid函数，分别对应两个舵机，大家可以自行调试其中Kp，Ki，Kd的值。

#include "pid.h"

pid_typedef pid1;
pid_typedef pid2;

void PID_init(void)

{
   
    pid1.SetPosition=0;
    pid1.ActualPosition=0.0;
    pid1.err=0.0;
    pid1.err_last=0.0;
    pid1.out=0.0;
    pid1.integral=0.0;
    pid1.Kp=0.025;
    pid1.Ki=0;
    pid1.Kd=0.017;
  
	pid2.SetPosition=0;
    pid2.ActualPosition=0.0;
    pid2.err=0.0;
    pid2.err_last=0.0;
    pid2.out=0.0;
    pid2.integral=0.0;
    pid2.Kp=0.025;
    pid2.Ki=0;
    pid2.Kd=0.017;
}



float PIDx_realize(float ActualPosition,float SetPosition)
{
	pid1.ActualPosition=ActualPosition;
	pid1.SetPosition=SetPosition;
    pid1.err=pid1.SetPosition-pid1.ActualPosition;
    pid1.integral+=pid1.err;
    pid1.out=pid1.Kp*pid1.err+pid1.Ki*pid1.integral+pid1.Kd*(pid1.err-pid1.err_last);
    pid1.err_last=pid1.err;

    return pid1.out;
}

float PIDy_realize(float ActualPosition,float SetPosition)
{
	pid2.ActualPosition=ActualPosition;
	pid2.SetPosition=SetPosition;
    pid2.err=pid2.ActualPosition-pid2.SetPosition;
    pid2.integral+=pid2.err;
    pid2.out=pid2.Kp*pid2.err+pid2.Ki*pid2.integral+pid2.Kd*(pid2.err-pid2.err_last);
    pid2.err_last=pid2.err;

    return pid2.out;
}

 5.3.2 pid.h

#ifndef __PID_H
#define __PID_H
#include "stm32f4xx.h"

typedef struct
{
	float SetPosition;//设定值
	float ActualPosition;//实际值
	float err;
	float err_last;
	float Kp;
	float Ki;
	float Kd;
	float out;//执行器的变量
	float integral;//积分值
}pid_typedef;

void PID_init(void);
float PIDx_realize(float ActualPosition,float SetPosition);
float PIDy_realize(float ActualPosition,float SetPosition);

#endif

        添加好文件之后不要忘记添加pid.h的目录 。

5.4 实现对PWM波占空比的控制

        放置在前面的初始化代码。

#include "pid.h"

double motor1=25;
double motor2=35;
int cx,cy;

PID_init();
HAL_Delay(100) ;
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//开启PWM波
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, motor1);//占空比初始化，为25\1000=2.5%
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, motor2);

        放在中断回调函数中的代码，可以选择放在case2中的printf下面，因为在OpenMV中设定的QVGA的中心坐标为160,120，所以下列的设定横纵坐标分别为160和120。其中舵机2我设定的占空比在3.5%和6%之间是因为我的装置结构问题，如果上面的电机往下太多会导致数据线与底座接触，造成电机卡住，大家可以根据自己的装配情况自行更改占空比的上下范围。

sscanf(rx_buf, "%d %d", &cx, &cy);//提取rx_buf中的前两个数字，即为横纵坐标
//对下面对应横坐标的舵机进行控制
motor1=motor1+PIDx_realize(cx,160);//第一参数为实际坐标，第二个参数为设定坐标
if(motor1<25)motor1=25;//防止超过舵机的工作范围内的占空比
if(motor1>125)motor1=125;
TIM3->CCR1=motor1;
//对上面对应纵坐标的舵机进行控制
motor2=motor2+PIDy_realize(cy,120);
if(motor2<35)motor2=35;
if(motor2>60)motor2=60;
TIM4->CCR1=motor2;

六、成果展示

        由于实验室器材有限，无奈拿了一个开学典礼的灯作为底座，所以在舵机运行起来时会不稳，建议大家把舵机固定在重一点且高一点的东西上，可以避免OpenMV的线被卡住。总体来说，摄像头的跟踪效果还是不错的。

七、结语

        大家如果想要购买我的同款舵机，可以私信我，但是这个舵机的装配比较麻烦，需要自己用工具把材料修剪到合适的大小。然后这是我写的第一份博客，内容可能有不足的地方，大家都可以指出，最后为大家分享几篇我在做的过程中参考的文章，其中第一篇来自我同实验室的同学。

【STM32+HAL】与OpenMV通信

STM32与openmv通信（HAL库）

位置式PID与增量式PID区别浅析文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-841349.html

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