平衡小車PID，就該這么調(diào)！?。?/h1>

上一篇文章：看完這篇文章，還不會做平衡小車，你來打我。描述了平衡小車的制作過程，也開源了一部分設(shè)計資料。在上篇文章留言中，有朋友說：

安排，必須安排！

1、PID

關(guān)于 PID 的概念，網(wǎng)上相關(guān)的帖子太多，在此不再贅述。之前也有過幾篇關(guān)于 PID 的文章：?再論 PID，PID 其實很簡單。。。PID 算法搞不懂？看這篇文章就夠了。

這次我們聊下關(guān)于平衡小車中的 PID，在平衡小車的 PID 中，分為三種 PID，分別是直立環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)。任何一個 PID 最終計算出來的都是電機 PWM，都是需要賦值給電機的。環(huán)環(huán)嵌套，得出電機的最終控制 PWM。

2、直立環(huán) PID

在直立環(huán)中，PID 的入口參數(shù)為：平衡小車的姿態(tài)角和姿態(tài)角對應(yīng)的角速度。

值得說明，MPU6050 得出來的姿態(tài)角有三種：PITCH（俯仰角）、ROLL（翻滾角）、YAW（航向角）一般來說，MPU6050 都是平方且平行裝在平衡小車上，總不會有人垂直裝吧

如果平放且平行安裝，那么直立環(huán) PID 的入口參數(shù)為：Pitch 或 roll。直立環(huán)中，有一個較為重要的概念，也就是機械中值。通俗講，小車在不接受任何外力或者電機作用，能夠找到一個角度自我平衡。如何理解這句話：很簡單，小車電機不轉(zhuǎn)動，人的手扶著小車，小車總能找到一個角度，自我短期平衡。此時的角度就是機械中值。

直接看代碼：

/*******************************************************************函數(shù)功能：直立 PD 控制入口參數(shù)：角度、機械平衡角度（機械中值）、角速度返回  值：直立控制 PWM作????者：公眾號【大魚機器人】******************************************************************/int balance_UP(float Angle,float Mechanical_balance,float Gyro){     float Bias;// 角度誤差???int?balance;// 直立環(huán)計算出來的電機控制 pwm   Bias=Angle-Mechanical_balance;                      //===求出平衡的角度中值和機械相關(guān)   balance=balance_UP_KP*Bias+balance_UP_KD*Gyro;     //===計算平衡控制的電機 PWM  PD 控制   kp 是 P 系數(shù) kd 是 D 系數(shù)    return balance;}

從程序上看：balance_UP_KP?為直立環(huán)的 P，balance_UP_KD 為 直立環(huán)的 D。如何確定 P 和 D 的大小和極性？

2.1 直立環(huán) P 范圍確定：

需要先確定 PWM 的范圍，例如，定時器最大的 PWM 為 7200，此時占空比為 100%，電機應(yīng)該是全速運行。如果小車需要直立，擺幅，差不多就要≤10°。,如果超過此范圍，小車抖動較為厲害根據(jù)直立環(huán)的程序：

balance=balance_UP_KP*Bias+balance_UP_KD*Gyro;

由于 PWM 最大是 7200，角度在 10°，反推可以得到:直立環(huán)的 P 可選范圍應(yīng)該在 0~700。

當然這只是個大致的范圍，具體多少還需要進一步調(diào)試。

2.2 直立環(huán) P 極性確定：

極性也就是符號，P 到底是給正的，也是負的。

直接給 kp 正負值，然后觀察現(xiàn)象：?

正常出現(xiàn)的現(xiàn)象是負反饋，小車往那邊倒，電機轉(zhuǎn)動使得小車往要倒的方向去追。使得小車能夠往反方向站起來！

如果出現(xiàn)正反饋，車往哪邊倒，電機轉(zhuǎn)動使得小車快速倒下。這種現(xiàn)象就是不對的。

2.3 直立環(huán) P 大小確定：

慢慢試錯，從小到大，響應(yīng)慢慢加快也就是小車倒下后恢復直立的時間越來越短，直到小車出現(xiàn)大幅度的低頻抖動！

此時的 P 可以確定。

2.4 直立環(huán) D?極性確定：

D 的極性較為好確定，設(shè) P 為 0，D 給正負值，分別去試，看效果。

當拿起小車進行旋轉(zhuǎn)時，小車的輪子應(yīng)該是小車旋轉(zhuǎn)方向相同，此時說明極性是對的。

如果小車的輪子轉(zhuǎn)動和小車的轉(zhuǎn)動方向不相同，說明此時極性是反的！

2.5 直立環(huán) D 大小確定：

D 的大小，需要聯(lián)合 P 去調(diào)試，在 P 調(diào)好的基礎(chǔ)上，加入 D，從小到大慢慢去試，從程序 PD 可以看到，D 對應(yīng)的是角速度，由于角速度都是四位數(shù)以上的數(shù)值，所以可以從 0.1 開始試。一直到小車出現(xiàn)高頻的劇烈抖動。

需要說明的是，如果小車各方面機械機構(gòu)都分布較為均勻，重量分布較好，重心較低，小車靠單純的直立環(huán)能夠暫穩(wěn)。

但一般來說，沒有誰的小車機械結(jié)構(gòu)做的很好。所以說，單純靠直立環(huán)是無法將小車站穩(wěn)的。需要再加入速度環(huán)。

單純的直立環(huán)能使小車站穩(wěn)?5s?就說明調(diào)的很好了！

3、速度環(huán)

速度環(huán)中，采用 PI 控制，積分控制和比例控制有一定的比例關(guān)系。

這里可以確定為 200，別問為什么，沒有為什么。問就是 200！速度環(huán)的入口參數(shù)，為小車的 2 個電機編碼器數(shù)值，也就是測速！沒有小車速度的實時反饋，談何速度閉環(huán)。看代碼：

/**************************************入口參數(shù)：電機編碼器的值返回  值：速度控制 PWM作    者：公眾號【大魚機器人】**************************************/int velocity(int encoder_left,int encoder_right){  ????static?float?Velocity,Encoder_Least,Encoder,Movement;    static float Encoder_Integral;   //=============速度 PI 控制器=======================//      Encoder_Least =(Encoder_Left+Encoder_Right)-0;          //===獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）- 目標速度（此處為零） ????Encoder?*=?0.7;??????????//===一階低通濾波器???????    Encoder += Encoder_Least*0.3;   //===一階低通濾波器    ??? Encoder_Integral +=Encoder;?//===積分出位移?積分時間：10ms    if(Encoder_Integral>10000)    Encoder_Integral=10000;       //===積分限幅    if(Encoder_Integral<-10000)    Encoder_Integral=-10000;   ????//===積分限幅??    Velocity=Encoder*velocity_KP+Encoder_Integral*velocity_KI;  ????//===速度控制??????if(pitch<-40||pitch>40)???Encoder_Integral=0;?????? //===電機關(guān)閉后清除積分    return Velocity;}

3.1 速度環(huán) P 范圍確定：

同樣的，和直立環(huán) P 的大小范圍確定一樣，我們需要得到電機編碼器的最大值和 PWM 的最大值的關(guān)系！

從程序中可以看到，我們應(yīng)該比較的是，2 個電機的速度偏差和 pwm 的關(guān)系。

比如：用 STM32 定時器的正交解碼模式對電機進行測速，10ms 一次。

小車電機滿速旋轉(zhuǎn)時，左右兩個電機，編碼器相加可達 160。

假設(shè)速度偏差（實際測量值與理想值）達到 50%時滿轉(zhuǎn)。

那么有，160/2=80，7200/80=90，也就說 kp 最大為 90。

(注意，這里只是在假設(shè) 50%的前提下).

90 只是一個參考值，具體多少，還是需要根據(jù)，實際測試的效果。

3.2?速度環(huán)?P?極性確定：

確定 P 的極性，需要關(guān)閉前文的直立環(huán)，也就是說整個系統(tǒng)的控制參數(shù)只能有速度環(huán)的 P。

單單靠直立環(huán)控制小車，小車能短暫直立，但會出現(xiàn)往前走或往后走，然后倒下，那么速度環(huán)就是用來抑制此現(xiàn)象的出現(xiàn)。

從上文程序中可以看到：

?Encoder_Least?=(Encoder_Left+Encoder_Right)-0;???????//===獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）- 目標速度（此處為零）

這句程序的意思就是，獲取最新速度偏差，控制小車目標速度為 0。

直立環(huán)中控制小車不倒下是用來控制小車的角度，所以直立環(huán)的機械中值是：角度

速度環(huán)控制小車不倒下是用來控制小車的速度，所以速度環(huán)的“中值”就是：速度為 0

應(yīng)該不難理解！

那么如何抑制小車速度為 0 呢?

既然我們可以知道小車的當前速度，只要速度環(huán)的 P 為正反饋即可，意思就是假如向前倒，那么小車就要以更快的速度向前沖，保持直立。

同樣的，屏蔽前文的直立環(huán)，分別給速度環(huán) P 正負值，看現(xiàn)象。

正反饋的現(xiàn)象為：

當旋轉(zhuǎn)其中一個輪子，兩個輪子往相同方向旋轉(zhuǎn)，到速度最大值。此時應(yīng)該為正反饋。此時的現(xiàn)象說明，速度環(huán)的 P 極性是對的！

如果出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)其中一個輪子，另外一個輪子往反方向轉(zhuǎn)動，讓偏差趨向于零。這就是負反饋，此時說明 P 極性錯誤！

3.3 速度環(huán) P 大小確定：

確定 P 極性和大小之后，由于 P 和 I 有比例關(guān)系且 P 為 I 的 200 倍！P 和 I 的大小可以一同調(diào)試，可以將 P 和 I 慢慢從小到大的參數(shù)去試，觀看小車效果。

如果出現(xiàn)以下效果：

1、小車放在地上，慢慢的，隨著時間越來越長，小車會來回晃蕩，此時可以認為 P 和 I 的參數(shù)過小。

2、小車放在地上，用手去推，如果小車無法回到初始位置，一直來回晃蕩，來回晃蕩的時候，車身出現(xiàn)較為大的傾斜，此時可以認為 P 和 I 的參數(shù)過大。如果車身沒有出現(xiàn)較大的傾斜，只是小車來回晃蕩，此時可以認為 P 和 I 的參數(shù)過小。

關(guān)于速度環(huán)的初步調(diào)試，大致就講到這里，這種試錯的方法是較為愚鈍的，但卻是較為方便且簡單的一種方法。

可以幫助大家很快速的調(diào)試站立好小車。

4、轉(zhuǎn)向環(huán)

關(guān)于轉(zhuǎn)向環(huán)，其實沒什么好講的，很多種轉(zhuǎn)彎方式，P 控制，固定電機 pwm 差速控制，唯一牽扯到的就是轉(zhuǎn)向環(huán)可以矯正小車走直線的問題，這個可以單獨拉出來進行聊聊。在這里不再聊了。