基于STM32的平衡小車設(shè)計(jì)過程分享（3）

一、簡介

續(xù)上文，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、MPU6050驅(qū)動(dòng)均已完成，接下來我們給他加上PID讓它站起來

二、PID控制

我們將小車PID控制函數(shù)放到MPU6050中斷函數(shù)中，每當(dāng)MPU6050有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，引腳INT有相應(yīng)的電平輸出。依次來觸發(fā)外部中斷作為控制周期。保持MPU6050數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

2.1直立環(huán)控制

通過傳入的KP、KD參數(shù)，讓平衡車的pitch軸保持在水平位置。

直立環(huán)是用于控制機(jī)械系統(tǒng)中垂直方向運(yùn)動(dòng)的一種控制器。在這些應(yīng)用中，垂直方向的運(yùn)動(dòng)通常是非常穩(wěn)定的，因此I控制器的積分作用并不是必需的。而PD控制器可以提供足夠的控制性能，同時(shí)避免了可能出現(xiàn)的積分飽和問題，因此在直立環(huán)中通常只使用PD控制器，而不使用I控制器。

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函數(shù)功能：直立PD控制

入口參數(shù)：角度、機(jī)械平衡角度（機(jī)械中值）、角速度

返回 值：直立控制PWM

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int balance_UP(float Angle,float Mechanical_balance,float Gyro)

{ 

  float Bias;

  int balance;

  Bias=Angle-Mechanical_balance;   //求出平衡的角度中值和機(jī)械相關(guān)

  balance=balance_UP_KP*Bias+balance_UP_KD*Gyro; //計(jì)算平衡控制的電機(jī)PWM PD控制  kp是P系數(shù) kd是D系數(shù)

  return balance;

}

2.2速度環(huán)控制

這里我們只用到了PI的控制參數(shù)，如果有微分環(huán)(D)在里面的，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)波動(dòng)太快，微分對極小的速度波動(dòng)都會(huì)有反應(yīng)，而速度的微微波動(dòng)又太多了，什么電機(jī)微抖，轉(zhuǎn)速檢測裝置的不穩(wěn)定?？偨Y(jié)，微分太靈敏了，所以我們只用到了PI作為調(diào)節(jié)參數(shù)

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函數(shù)功能：速度PI控制

入口參數(shù)：電機(jī)編碼器的值

返回 值：速度控制PWM

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int velocity(int encoder_left,int encoder_right,int Target_Speed)

{ 

   static float Velocity,Encoder_Least,Encoder;

  static float Encoder_Integral;

  //=============速度PI控制器=======================// 

  Encoder_Least=(Encoder_Left+Encoder_Right); //獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）-目標(biāo)速度

  Encoder *= 0.8; //===一階低通濾波器      

  Encoder += Encoder_Least*0.2; //===一階低通濾波器  

  Encoder_Integral +=Encoder; //===積分出位移 積分時(shí)間：10ms

  Encoder_Integral=Encoder_Integral-Target_Speed;  //接收遙控器數(shù)據(jù)，控制前進(jìn)后退

  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(jī)關(guān)閉后清除積分

  return Velocity;

}

2.3轉(zhuǎn)向環(huán)控制

在轉(zhuǎn)向控制中，PD控制器代表的是比例-微分控制器，它根據(jù)當(dāng)前的偏差和偏差的變化率來調(diào)整控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和穩(wěn)定性。

相比之下，積分控制器（I控制器）會(huì)根據(jù)偏差的積分來調(diào)整控制參數(shù)，以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，在轉(zhuǎn)向控制中，由于小車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和環(huán)境的不確定性，I控制器容易出現(xiàn)積分飽和的問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和震蕩。

因此，為了保證轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性和可靠性，通常只使用PD控制器，而不使用I控制器。同時(shí)，還可以通過其他控制策略，如模糊控制、自適應(yīng)控制等來進(jìn)一步提高控制性能。

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函數(shù)功能：轉(zhuǎn)向PD控制

入口參數(shù)：電機(jī)編碼器的值、Z軸角速度

返回 值：轉(zhuǎn)向控制PWM

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int Turn_UP(int gyro_Z, int RC)

{

  int PWM_out;

  /*轉(zhuǎn)向約束*/

  if(RC==0)Turn_Kd=TURN_KD;//若無左右轉(zhuǎn)向指令，則開啟轉(zhuǎn)向約束

  else Turn_Kd=0;//若左右轉(zhuǎn)向指令接收到，則去掉轉(zhuǎn)向約束

  PWM_out=Turn_Kd*gyro_Z + Turn_KP*RC;

  return PWM_out;

}

2.4 PID參數(shù)的調(diào)節(jié)

通過調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，使小車達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該數(shù)據(jù)僅供參考，具體調(diào)節(jié)還得從實(shí)際中得來

//直立環(huán)

#define BLC_KP 300

#define BLC_KD 0.6

//速度環(huán)

#define SPD_KP -80

#define SPD_KI -0.40

//轉(zhuǎn)向環(huán)

#define TURN_KP -30

#define TURN_KD -0.3