平衡小车第三课

     本课主要讲解如何PID参数，角度环，速度环和旋转环。

内容

控制原理

安装和添加

调试指南

• 1、角度环参数
• 2、速度环参数
• 3、旋转环参数

总结

控制原理

维持小车直立、运行的动力都来自于小车的两个车轮。车轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制的角度来看，小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。

小车运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务：

• 1.控制小车平衡：通过控制两个电机正反向运动保持小车直立平衡状态；
• 2.控制小车速度：通过调节小车的位置偏差来实现小车速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制；
• 3.控制小车方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。
  

安装下载代码和库文件

      下载arduino地址-https://www.arduino.cc/en/Main/Software，打开arduino IED，下载balance car code，打开代码文件夹osoyoo_abc。

下载库文件—balance libraries， 添加库文件 。

第一种方法：直接在点击项目—>加载库—>添加一个.ZIP，选择你库文件的路径进行添加。检查你的库文件是否添加成功，点击文件—>示例，就可以查看你的库文件了。

第二方法：直接解压balance libraries文件，直接把目录下的文件直接复制粘贴在arduino安装路径下的libary目录下。

调试指南

小车的平衡、速度和方向的控制分别用到了角度环、速度环和方向环。我们需要先调试角度环、再调速度环、最后调方向环。调试PID参数是一个漫长的过程，各个环相互之间存在一定程度的影响，因此需要耐心调试找出一组最优参数。

1. 角度环参数

平衡小车角度环使用了PD（比例微分）控制器，在调试中，我们需要调整Kp和Kd的值，使小车有良好的调节速度和稳定状态。角度环的计算用到的参数是小车的倾角度数。Kp是小车倾角的系数；Kd是对角度微分得到角速度的系数，用于减弱比例调节所产生的过调。调试顺序按照先P（比例）后D（微分）。

• (1)确定Kp值的大小
• 确定参数的原则是：Kp一直增加，直到出现大幅度的低频抖动。
• 例：设定Kp=10，这个时候我们可以看到，小车虽然有平衡的趋势，但还是会较快向一边倾倒，显然响应太慢了。
• 设定Kp=20，这个时候我们可以看到，小车有平衡的趋势，而且响应有所加快，但是响应还是不足以让小车保持平衡。
• 设定Kp=40，这个时候我们可以看到，小车的响应明显加快，而且来回推动小车的时候，会有大幅度的低频抖动。说明这个时候Kp值已经足够大了，需要增加微分控制削弱Kp控制，抑制低频抖动。
• (2)确定Kd值的大小

• 确定参数的原则是：Kp一直增加，直到出现高频抖动。
• 例：设定Kd=0.3，这个时候我们可以看到，大幅度的低频抖动已经基本消除。
• 设定Kd=0.5，这个时候我们可以看到，整体性能在一个比较好的状态。
• 设定Kd=0.8，这个时候我们可以看到，小车开始出现高频剧烈抖动(注意：长时间高频抖动会损坏驱动和电机)。

我们可以确定Kp=40，Kd=0.6是P、D参数的最大值。我们在后面的调试过程尽量不超过这两个数值。适当减小数值，可以看到小车调整更加平滑，但是依然无法保持长时间的直立。直立很短一段时间后会往一个方向加速倒下。这个等我们加上速度环才能得到更好的性能。只有角度环是很难让小车达到很好的直立效果的。至此，直立调试部分就告一段落了。

 2、 速度环参数

速度环用于控制小车的速度，一方面使小车静止时更稳定，不会偏向一边倒下；另一方面则是使小车能够直立行驶。速度环使用PI（比例积分）控制器。速度环的计算用到的参数是小车的速度。调节速度环之前需要先设定好直立环参数，这里我们设置Kp=40，Ki=0.6。先调I（积分）再调P（比例）。

1. 确定Ki_speed值的大小

• 确定参数的原则是：调整Ki_speed大小，直到小车可以快速地稳定在固定位置。
• 设定Ki_speed=0.1，这个时候我们可以看到，小车的位置固定，即使推动小车，小车依然可以返回到初始位置。
• 设定Ki_speed=0.4，这个时候我们可以看到，小车有更快的调整速度，但是小车容易过调从而产生不必要的震荡。
• 这时再加入Kp_speed就可以使小车的位置稳定下来。

       2.确定Kp_speed值的大小

• 确定参数的原则是：Kp_speed一直增大，直到小车可以保持直立并且不易推倒。
• 例：设定Kp_speed=1.0，这个时候我们可以看到，小车会在一段距离内来回调整。虽然还是不能完全静止，但是已经能够保持较长时间的直立，可以看到速度环已经起作用了。
• 设定Kp_speed=2.5，这个时候我们可以看到，小车的速度基本可以稳定。但是用手推还是会向一边倒，抗干扰能力差。
• 设定Kp_speed=4.0，这个时候我们可以看到，小车的响应速度加快，抗干扰能力加强，用手推的时候小车速度可以很快减小。

因此，我们设定Ki_speed=0.25，Kp_speed=5.20，。这里只是对参数调试过程做一个大概的演示，并不是最优参数，可以根据实际现象再进一步微调参数的大小。

3、 方向环参数

• 经过直立环和速度环的调整，小车已经能够保持稳定直立了。由于左右电机实际存在一定偏差，需要引入方向环控制小车直走的方向从而防止小车行驶偏航。除此之外方向环还用于小车转弯的速度调节。
• Kp_turn仅仅用于改变小车转弯的速度比例，该值越大，小车转弯的速度越快，一般情况下不需要改变它的大小。
• Kd_turn是Z轴角速度的系数。当小车直走不为直线时，可以通过调整Kp_turn的大小校正小车的偏离情况。其值过大时会导致小车左右剧烈震荡，调整时请勿将数值设置过大。调试时可借助直线参考物体，控制小车直行，调整Kd_turn大小直至小车直走时不易偏离直线即可。

总结

以上是小车的静态参数整定方法，可以得出小车直立所需要的参数。若小车直立行驶的状态不佳，则需再微调参数使小车在行驶时也有较好的效果。总的来说，比例参数影响的是小车调整的速度；微分参数影响的是小车的稳定；积分参数跟调整的准确性有关。下图是所有参数调整的较优参数。

下面介绍平衡车的载重调试，平衡车的载重的上限为2KG，超过上限之后，电机会负荷行驶，会对电机造成损害。加速度不能太快，否则重心不稳，小车容易倾倒，下面给出平衡车的平稳较优参数。