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 pwm   Bias=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：10ms    if(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。