平衡小车PID,就该这么调!!!
上一篇文章:看完这篇文章,还不会做平衡小车,你来打我。
描述了平衡小车的制作过程,也开源了一部分设计资料。
在上篇文章留言中,有朋友说:
安排,必须安排!
1、PID
关于PID的概念,网上相关的帖子太多,在此不再赘述。
之前也有过几篇关于PID的文章:
再论PID,PID其实很简单。。。
PID算法搞不懂?看这篇文章就够了。
这次我们聊下关于平衡小车中的PID,
在平衡小车的PID中,分为三种PID,分别是直立环、速度环、转向环。
任何一个PID最终计算出来的都是电机PWM,都是需要赋值给电机的。
环环嵌套,得出电机的最终控制PWM。
2、直立环PID
在直立环中,PID的入口参数为:平衡小车的姿态角和姿态角对应的角速度。
值得说明,MPU6050得出来的姿态角有三种:PITCH(俯仰角)、ROLL(翻滚角)、YAW(航向角)
一般来说,MPU6050都是平方且平行装在平衡小车上,总不会有人垂直装吧
如果平放且平行安装,那么直立环PID的入口参数为:Pitch或roll。
直立环中,有一个较为重要的概念,也就是机械中值。
通俗讲,小车在不接受任何外力或者电机作用,能够找到一个角度自我平衡。
如何理解这句话:
很简单,小车电机不转动,人的手扶着小车,小车总能找到一个角度,自我短期平衡。此时的角度就是机械中值。
直接看代码:
/*******************************************************************
函数功能:直立PD控制
入口参数:角度、机械平衡角度(机械中值)、角速度
返回 值:直立控制PWM
作 者:公众号【大鱼机器人】
******************************************************************/
int balance_UP(float Angle,float Mechanical_balance,float Gyro)
{ float Bias;//角度误差int balance;//直立环计算出来的电机控制pwmBias=Angle-Mechanical_balance; //===求出平衡的角度中值和机械相关balance=balance_UP_KP*Bias+balance_UP_KD*Gyro; //===计算平衡控制的电机PWM PD控制 kp是P系数 kd是D系数 return balance;
}
从程序上看:
balance_UP_KP 为直立环的P,
balance_UP_KD 为 直立环的D。
如何确定P和D的大小和极性?
2.1 直立环 P 范围确定:
需要先确定PWM的范围,例如,定时器最大的PWM为7200,此时占空比为100%,电机应该是全速运行。
如果小车需要直立,摆幅,差不多就要≤10°。,如果超过此范围,小车抖动较为厉害
根据直立环的程序:
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:
直立环的P可选范围应该在0~700。
当然这只是个大致的范围,具体多少还需要进一步调试。
2.2 直立环 P 极性确定:
极性也就是符号,P到底是给正的,也是负的。
直接给kp正负值,然后观察现象:
正常出现的现象是负反馈,小车往那边倒,电机转动使得小车往要倒的方向去追。使得小车能够往反方向站起来!
如果出现正反馈,车往哪边倒,电机转动使得小车快速倒下。这种现象就是不对的。
2.3 直立环 P 大小确定:
慢慢试错,从小到大,响应慢慢加快也就是小车倒下后恢复直立的时间越来越短,直到小车出现大幅度的低频抖动!
此时的P可以确定。
2.4 直立环 D 极性确定:
D的极性较为好确定,设P为0,D给正负值,分别去试,看效果。
当拿起小车进行旋转时,小车的轮子应该是小车旋转方向相同,此时说明极性是对的。
如果小车的轮子转动和小车的转动方向不相同,说明此时极性是反的!
2.5 直立环 D 大小确定:
D的大小,需要联合P去调试,在P调好的基础上,加入D,从小到大慢慢去试,从程序PD可以看到,D对应的是角速度,由于角速度都是四位数以上的数值,所以可以从0.1开始试。
一直到小车出现高频的剧烈抖动。
需要说明的是,如果小车各方面机械机构都分布较为均匀,重量分布较好,重心较低,小车靠单纯的直立环能够暂稳。
但一般来说,没有谁的小车机械结构做的很好。
所以说,单纯靠直立环是无法将小车站稳的。需要再加入速度环。
单纯的直立环能使小车站稳 5s 就说明调的很好了!
3、速度环
速度环中,采用PI控制,积分控制和比例控制有一定的比例关系。
这里可以确定为200,别问为什么,没有为什么。问就是200!
速度环的入口参数,为小车的2个电机编码器数值,也就是测速!
没有小车速度的实时反馈,谈何速度闭环。
看代码:
/**************************************
入口参数:电机编码器的值
返回 值:速度控制PWM
作 者:公众号【大鱼机器人】
**************************************/
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; //===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:10msif(Encoder_Integral>10000) Encoder_Integral=10000; //===积分限幅if(Encoder_Integral<-10000) Encoder_Integral=-10000; //===积分限幅 Velocity=Encoder*velocity_KP+Encoder_Integral*velocity_KI; //===速度控制 if(pitch<-40||pitch>40) Encoder_Integral=0; //===电机关闭后清除积分return Velocity;
}
3.1 速度环 P 范围确定:
同样的,和直立环P的大小范围确定一样,我们需要得到电机编码器的最大值和PWM的最大值的关系!
从程序中可以看到,我们应该比较的是,2个电机的速度偏差和pwm的关系。
比如:用STM32定时器的正交解码模式对电机进行测速,10ms一次。
小车电机满速旋转时,左右两个电机,编码器相加可达160。
假设速度偏差(实际测量值与理想值)达到50%时满转。
那么有,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).
90只是一个参考值,具体多少,还是需要根据,实际测试的效果。
3.2 速度环 P 极性确定:
确定P的极性,需要关闭前文的直立环,也就是说整个系统的控制参数只能有速度环的P。
单单靠直立环控制小车,小车能短暂直立,但会出现往前走或往后走,然后倒下,那么速度环就是用来抑制此现象的出现。
从上文程序中可以看到:
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)
这句程序的意思就是,获取最新速度偏差,控制小车目标速度为0。
直立环中控制小车不倒下是用来控制小车的角度,所以直立环的机械中值是:角度
速度环控制小车不倒下是用来控制小车的速度,所以速度环的“中值”就是:速度为0
应该不难理解!
那么如何抑制小车速度为0呢?
既然我们可以知道小车的当前速度,只要速度环的P为正反馈即可,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。
同样的,屏蔽前文的直立环,分别给速度环P正负值,看现象。
正反馈的现象为:
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。此时应该为正反馈。此时的现象说明,速度环的P极性是对的!
如果出现旋转其中一个轮子,另外一个轮子往反方向转动,让偏差趋向于零。这就是负反馈,此时说明P极性错误!
3.3 速度环 P 大小确定:
确定P极性和大小之后,由于P和I有比例关系且P为I的200倍!P和I的大小可以一同调试,可以将P和I慢慢从小到大的参数去试,观看小车效果。
如果出现以下效果:
1、小车放在地上,慢慢的,随着时间越来越长,小车会来回晃荡,此时可以认为P和I的参数过小。
2、小车放在地上,用手去推,如果小车无法回到初始位置,一直来回晃荡,来回晃荡的时候,车身出现较为大的倾斜,此时可以认为P和I的参数过大。如果车身没有出现较大的倾斜,只是小车来回晃荡,此时可以认为P和I的参数过小。
关于速度环的初步调试,大致就讲到这里,这种试错的方法是较为愚钝的,但却是较为方便且简单的一种方法。
可以帮助大家很快速的调试站立好小车。
4、转向环
关于转向环,其实没什么好讲的,很多种转弯方式,P控制,固定电机pwm差速控制,唯一牵扯到的就是转向环可以矫正小车走直线的问题,这个可以单独拉出来进行聊聊。在这里不再聊了。
最后,我给大家准备了一个简易版的小车直立程序,只有直立环和速度环。
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资料包中也有参考电路,就是封面图的掌上mini小车!比可乐还要小~
-END-
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看完这篇文章,还不会做平衡小车,你来打我。
这篇文章后,不要再问怎么做一台智能车了
再论PID,PID其实很简单。。。
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