【STM32平衡小车】平衡小车的PID环体会心得

小车】平衡小车的PID环体会心得"/>

【STM32平衡小车】平衡小车的PID环体会心得

2018年12月11日17:47:56更新：

平衡环：
P可增加响应速度
P过小，响应太慢，不能达到直立。
P过大，会出现大幅度的低频抖动。

D可消除P大了之后产生的大幅低频抖动。
D过大，会出现高频抖动。

速度环：
P可增加速度的响应，I和P有比例关系I=P/200.
P过小，响应慢，出现的现象是加速减速慢，迟钝。
P过大，会出现低频抖动。

转向环
P过下，转弯不及时
P过大，大幅度抖动

两个东西待解决

1、左右轮编码器之和数值输出的范围确定
2、小车转向的gyro范围确定

一、机械中值的确定

不管是那个环，小车物理人为的短时直立，这个必须要做到，不然调试任何参数，任何环都是扯。

机械中值的确定方法，通过OLED上显示的陀螺仪倾角确定，存在某一个角度是前倾和后仰的临界点，这个点对应的角度就是ZHONGZHI.

二、直立环(PD)

• 开始调试直立环时，需要先关闭速度环和转向环。
• 单独的直立环不足以让小车直立，最基本的环=直立环+速度环
• 直立环代码实现

//直立环的最基本代码实现
//Angle-小车倾角 Gyro-Y 轴陀螺仪(前进方向是 MPU6050 的 X 轴的正方向，电机轴与 Y 轴平行。)
int balance(float Angle,float Gyro)
{float Bias,kp=300,kd=1;int balance;Bias=Angle-0; //计算直立偏差balance=kp*Bias+Gyro*kd; //计算直立 PWMreturn balance; //返回直立 PWM
}

• 直立环的Kp范围确定

  • MiniBalance_PWM_Init(7199,0);可以知道，7200对应的占空比是100%。
  • 再由PID的基本代码可知，假如设定kp=720，那么在±10°左右，电机即可实现满转。
  • 我们根据电机直立的摆幅，差不多就要≤10°，不然就抖的太厉害了。所以我们设定kp的可选范围也就限制在了≤720

• 直立环的kp极性确定

  • 这个可以直接给kp正负值，然后放在地上观察现象， 正常出现的现象是一个负反馈，而不是出现往哪边倒就往另一边加速，致使它快速倒下，而是往要倒的方向去追（跟后面的速度环kp极性确定大同小异）。

• 直立环的kp大下确定

  • 试参数，从小到大，响应慢慢加快， 直到出现大幅度的低频抖动，选定此时的Kp，接下来进行速度环的kd确定。

• 直立环的kd极性确定

  • kp置为0，然后给Kd正负值分别实验，当拿起小车旋转时，小车轮子没有实现跟随，这个时候说明极性是反的！

• 直立环的kd大小确定

  • 注意，是在抖动的kp基础上，调试kd大小。依旧是从小到大实验，一直到小车出现高频的剧烈抖动。

此时kp，kd同时乘上0.6，就是一组合适的直立参数，可以发现不会抖了，但是小车也仍旧不能一直保持直立，原因是单独的直立环不足以实现小车直立，还需要配合速度环。

三、速度环(PI)

• 积分控制和比例控制的极性是相同的，且有一定的比例关系。(这里确定为200)

• 直立小车，速度环是一种对直立环的干扰，所以我们还依旧要让直立环处于主导地位，要对速度环进行适当的低通滤波处理。

• 直立环的基础代码实现

//输入左右轮电机编码器
int velocity(int encoder_left,int encoder_right)
{static float Velocity,Encoder_Least,Encoder;static float Encoder_Integral;float kp=80,ki=0.4;Encoder_Least =(Encoder_Left+Encoder_Right)-0;Encoder *= 0.7;Encoder += Encoder_Least*0.3;Encoder_Integral +=Encoder;Velocity=Encoder*kp+Encoder_Integral*ki;return Velocity;
}

• 速度环的kp范围确定

  • 测速是通过 STM32 定时器的编码器接口模式对编码器进行四倍频（软件实现，提高精度），并使用 M法测速（每 10ms 的脉冲数）得到小车的速度。
  • 通过实验，实际串口输出，小车满速旋转时左右轮编码器相加可达160，假设速度偏差达到50%时满转。，160/2=80，7200/80=90，也就说kp最大为90(注意这里只是在假设50%的前提下).

• 速度环的kp极性确定

  • 极性判断，需要先关闭直立环和转向环。
  • 要想达到直立，速度环这里正反馈，意思就是假如向前倒，那么小车就要以更快的速度向前冲，保持直立。
  • 由 Encoder_Least =(Encoder_Left+Encoder_Right)-0;Encoder_Least -是速度偏差，(Encoder_Left+Encoder_Right)是当前速度值，0-是目标速度值，可知，当旋转其中一个轮子，两个轮子往相同方向旋转，到速度最大值。

• 速度环的kp大小确定

  • 大小确定打开直立环。
  • kp,ki同符合且有ki=kp/200的比例关系
  • kp,ki逐步增大，直到使得小车的响应迅速稳定，即是合适的PI参数。

遥控的加入

int velocity(int encoder_left,int encoder_right)
{static float Velocity,Encoder_Least,Encoder,Movement;static float Encoder_Integral;float kp=80,ki=0.4;if(1==Flag_Qian) Movement=-90; //===如果前进标志位置 1 位移为负else if(1==Flag_Hou) Movement=90; //===如果后退标志位置 1 位移为正else Movement=0;Encoder_Least =(Encoder_Left+Encoder_Right)-0; //获取最新速度偏差==测量速度（左右编码器之和）-目标速度（此处为零）Encoder *= 0.7; //===一阶低通滤波器Encoder += Encoder_Least*0.3; //===一阶低通滤波器Encoder_Integral +=Encoder; //===积分出位移 积分时间：10msEncoder_Integral=Encoder_Integral-Movement; //接收遥控器数据，控制前进后退if(Encoder_Integral>10000) Encoder_Integral=10000; //积分限幅if(Encoder_Integral<-10000) Encoder_Integral=-10000; //限制遥控最大速度Velocity=Encoder*kp+Encoder_Integral*ki; //===速度控制if(Turn_Off(Angle_Balance,Voltage)==1) Encoder_Integral=0; //电机关闭后清除积分return Velocity;
}//其中Encoder_Integral=Encoder_Integral-Movement; 遥控的速度通过积分融入
速度控制器，减缓了速度突变对直立控制的影响。
//积分限幅中的最大赋值决定了小车的最大前进速度，而 Movement 值决定了小车的给定速度。

四、转向环§

• 基本原理
  • 使用 Z 轴陀螺仪的数据作为转向速度偏差进行 P 控制，目标是保持转向速度为设定值。
• 基本代码实现

//gyro是陀螺仪的y轴，电机方向.
int turn(int encoder_left,int encoder_right,float gyro)
{float Turn,Kp=1,Bias;Bias=gyro-0；Turn=-Bias*Kp;return Turn;
}

• 直立环kp的极性判断

  • 调试小车转向环，需要关闭直立环和速度环
  • 实际通过串口观察gyro的值，我们发现它最大不过4位，根据 7200 代表占空比 100%，所以我们估算 kp 值应该在 0~2 之间。
  • 取合适的正负值实验，正常是我们把小车按在地上，旋转小车，小车会有抵抗，阻止旋转。

• 直立环kp的大小确定

  • 逐步增加kp值，直到有走直线效果良好。

遥控功能加入

int turn(int encoder_left,int encoder_right,float gyro)
{float Turn,Kp=1,Bias;if(1==Flag_Left) Turn_Amplitude=1100;else if(1==Flag_Right) Turn_Amplitude=-1100;else Turn_Amplitude=0;Bias=gyro-0；Turn=-Bias*Kp;Turn+=Amplitude;return Turn;
}//其中Turn+=Amplitude; 转向遥控叠加在转向控制里面。