ESP32 robot sensor filtering help needed

I am trying to build a self balancing inverted pendulum robot. The problems I am encountering are related to the vibrations that are transferred to the MPU6050 which measures the robot’s angle. I have made sure that the sensor is mounted properly and have compensated for the mounting error and I also calibrated it on each axis beforehand. My problem is that the robot almost balances itself but isn’t quite there and I am stumped. No matter how high I set the Kp it just won’t sit upright on its own.
To sum it up:

  1. I believe that my choice of filter is not exactly appropriate. I do not know if I should use a Kalman filter (I am worried about the implementation here as I am not skilled enough to make a fast one), Low pass filter or keep my Exponential filter.
  2. Have I made any blunders in the code? I need it to be as fast as possible. Is my approach of using a library to control the motors what is killing the whole deal? It is my first time writing something this complex.

Thank you for taking your time to read this.

#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Wire.h>
#include <AccelStepper.h>

// Create an instance of the MPU6050 sensor
Adafruit_MPU6050 mpu;

// Define the I2C address of the MPU6050
int MPU_addr = 0x68;

// Pins for controlling stepper motors
#define dirPin_X 2
#define stepPin_X 5
#define dirPin_Y 3
#define stepPin_Y 6
#define enablePin 8

// Variable needed for timing the calibration procedure in the setup
uint32_t LoopTimer;

// PID control variables
double Kp = 20;
double Ki = 0;
double Kd = 0;
double P = 0;
double I = 0;
double D = 0;
double prevError = 0;
double Setpoint = 0;
double err_in_PID;
double PID_output = 0;


//Needed as a global variable due to being in the setup function
const int maxSpeed = 2000;

// Variables for storing sensor data and sensor calibration data
// Needed as global variables due to being used in the setup function for the dynamic calibration
float RateCalibrationRoll, RateCalibrationPitch, RateCalibrationYaw;
float RateRoll, RateYaw, RatePitch;
int RateCalibrationNumber;

// Create instances of the AccelStepper library for controlling motors
AccelStepper stepper1(1, stepPin_X, dirPin_X);
AccelStepper stepper2(1, stepPin_Y, dirPin_Y);

// Filter parameters for smoothing angle
// Needed as a global variable due to being able to be updated from the Serial Monitor
const float alpha_angle_filter = 0.5;

// Filtered angle values
// Needed as a global variable due to being used in determining the motor control logic
float filteredAnglePitch = 0.0;

// Flag to indicate if PID parameters have changed
bool PID_parameters_changed = false;

// Function to read gyro and accelerometer signals
void gyro_signals() {

// Sensitivity for ACC and GYRO
  const float GYRO_SENSITIVITY = 65.5;
  const float ACC_SENSITIVITY = 4096.0;

// Calibration values for accelerometer
// Calibration was not needed for X and Y axis
const float const_calib_Z = 0.2;

// Angle Correction needed due to the offset originating from the mounting procedure
const float angle_correction = 0.5;

  // Read accelerometer data
  Wire.beginTransmission(MPU_addr);
  Wire.write(0x3B);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(MPU_addr, 6);

  int16_t AccXLSB = (Wire.read() << 8) | Wire.read();
  int16_t AccYLSB = (Wire.read() << 8) | Wire.read();
  int16_t AccZLSB = (Wire.read() << 8) | Wire.read();

  // Read gyroscope data
  Wire.beginTransmission(MPU_addr);
  Wire.write(0x43);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(MPU_addr, 6);

  int16_t GyroX = (Wire.read() << 8) | Wire.read();
  int16_t GyroY = (Wire.read() << 8) | Wire.read();
  int16_t GyroZ = (Wire.read() << 8) | Wire.read();

  // Convert raw data to useful values
  RateRoll = GyroX / GYRO_SENSITIVITY;
  RatePitch = GyroY / GYRO_SENSITIVITY;
  RateYaw = GyroZ / GYRO_SENSITIVITY;

  float AccX = AccXLSB / ACC_SENSITIVITY;
  float AccY = AccYLSB / ACC_SENSITIVITY;
  float AccZ = (AccZLSB / ACC_SENSITIVITY) - const_calib_Z; 

  // Calculate Pitch angle (degrees)
  float AccMagnitude = sqrt(AccX * AccX + AccY * AccY);
  float AnglePitch = (atan(AccZ / AccMagnitude) * (180.0 / PI)) - angle_correction;

  // Apply exponential filter
  filteredAnglePitch = (alpha_angle_filter * AnglePitch + (1 - alpha_angle_filter) * filteredAnglePitch);

  //    Angle Acquisition DIAGNOSTICS   //

//Serial.print(Setpoint);
//Serial.print(",");
//Serial.println(F("err_in_PID"));
//Serial.println(err_in_PID);
//Serial.println(F("AnglePitch"));
//Serial.println(AnglePitch);
//Serial.println(F("filteredAnglePitch"));
//Serial.println(filteredAnglePitch);
 
}

// Function to move the robot based on PID output
void moveRobot() {

  const int minSpeed = 50;
  int motorSpeed1, motorSpeed2;

  // Adjust motor speeds based on pitch angle and PID output
  if (filteredAnglePitch > 0) {

    motorSpeed1 = (minSpeed + PID_output);
    motorSpeed2 = -(minSpeed + PID_output);
  } else {
    motorSpeed1 = -(minSpeed + PID_output);
    motorSpeed2 = (minSpeed + PID_output);
  }

  // Set motor speeds
  stepper1.setSpeed(motorSpeed1);
  stepper2.setSpeed(motorSpeed2);

  // Move motors
  stepper1.runSpeed();
  stepper2.runSpeed();

  //DEBUG AREA

//Serial.println(F("motorSpeed1"));
//Serial.println(motorSpeed1);
//Serial.println(F("motorSpeed2"));
//Serial.println(motorSpeed2);
}

// Function to compute PID output
int PID(double err_in_PID) {

  const int max_I = 255;
  // Proportional term
  P = Kp * err_in_PID;

  // Integral term
  I += Ki * err_in_PID;
  if (I > max_I) {
    I = max_I;
  } else if (I < -max_I) {
    I = -max_I;
  }

  // Derivative term
  D = Kd * (err_in_PID - prevError);
  prevError = err_in_PID;

  int speed = P + I + D;

  if (speed > maxSpeed) {
    speed = maxSpeed;
  } else if (speed < -maxSpeed) {
    speed = -maxSpeed;
  }
  return speed;

//          PID  DIAGNOSTICS       //
//Serial.println(F("P"));
//Serial.println(P);
//Serial.println(F("I"));
//Serial.println(I);
//Serial.println(F("D"));
//Serial.println(D);
//Serial.println(F("PID_output"));
//Serial.println(PID_output);


}

// Function to update PID values from Serial input
void updatePIDValues() {
  if (Serial.available() > 0) {
    String inputString = Serial.readStringUntil('n');
    inputString.trim();

    if (inputString.startsWith("Kp=")) {
      Kp = inputString.substring(3).toFloat();
    } else if (inputString.startsWith("Ki=")) {
      Ki = inputString.substring(3).toFloat();
    } else if (inputString.startsWith("Kd=")) {
      Kd = inputString.substring(3).toFloat();
    } 

    // Print updated PID values
    Serial.println("Updated PID Values:");
    Serial.print("Kp: ");
    Serial.println(Kp);
    Serial.print("Ki: ");
    Serial.println(Ki);
    Serial.print("Kd: ");
    Serial.println(Kd);
  }
}

// Setup function
void setup() {
  // Initialize Serial communication
  Serial.begin(115200);

  // Initialize MPU6050 sensor
  if (!mpu.begin()) {
    digitalWrite(LED_RED, LOW); // Turns on red led to show that there is an issue
    Serial.println("Sensor init failed");
    while (1)
      yield();
  }
  Serial.println("Found a MPU6050 sensor");

  // Initialize I2C communication
  Wire.begin();

  // Setup MPU6050 configuration
  Wire.beginTransmission(MPU_addr);
  Wire.write(0x1A);
  Wire.write(0x05);
  Wire.write(0x1C);
  Wire.write(0x10);
  Wire.endTransmission();

  // Calibrate gyro
  for (RateCalibrationNumber = 0; RateCalibrationNumber < 1000; RateCalibrationNumber++) {
    gyro_signals();
    RateCalibrationRoll += RateRoll;
    RateCalibrationPitch += RatePitch;
    RateCalibrationYaw += RateYaw;
    delay(1);
  }
  RateCalibrationRoll /= 1000;
  RateCalibrationPitch /= 1000;
  RateCalibrationYaw /= 1000;
  LoopTimer = micros();

  // Set CNC shield enable pin
  pinMode(enablePin, OUTPUT);
  digitalWrite(enablePin, LOW);

  // Set motor pins
  pinMode(stepPin_X, OUTPUT);
  pinMode(dirPin_X, OUTPUT);
  pinMode(stepPin_Y, OUTPUT);
  pinMode(dirPin_Y, OUTPUT);

  // Set maximum motor speed
  stepper1.setMaxSpeed(maxSpeed);
  stepper2.setMaxSpeed(maxSpeed);

  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

}

// Main loop
void loop() {

  //digitalWrite(LED_RED, LOW);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
  //digitalWrite(LED_BLUE, LOW);

  unsigned int loopTimer = millis();
  static int loopInterval = 3000;
  
  // Update PID parameters from Serial input
  if (Serial.available() > 0) {
    updatePIDValues();
    PID_parameters_changed = true;
  }

  // If PID parameters have changed, update the PID controller
  if (PID_parameters_changed) {
    PID_parameters_changed = false;
  }


  if (loopTimer- loopInterval > 1)
  {
    // Read gyro and accelerometer signals
    gyro_signals();

  RateRoll-=  RateCalibrationRoll;
  RatePitch-= RateCalibrationPitch;
  RateYaw-=   RateCalibrationYaw;

    // Calculate error in PID
    err_in_PID = abs(filteredAnglePitch - Setpoint);

    // Compute PID output
    PID_output = PID(err_in_PID);

    // Move the robot based on PID output
    moveRobot();

    loopTimer = 0;
  }

}

I tried tuning the PID but to no avail. No matter how high the Kp I set it simply did not want to balance on itself. The chassis is light enough for the motors to balance it. I believe that the software is lacking. I have also experimented with various filters but the results were rather unsatisfying. The board I am using is the ESP32 Nano, with 240 MHz.

New contributor

Paul Alexa is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật