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智能车舵机控制算法详解

2021-6-19 10:31| 发布者: admin| 查看: 1| 评论: 1|原作者: 鸣涧

摘要: 智能车舵机控制算法详解   舵机的原理和控制   控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电 ...
智能车舵机控制算法详解


  舵机的原理和控制
    控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。最后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。

  舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分,总间隔为2ms。以180度角度伺服为例,那么对应的控制关系是这样的:
  0.5ms--------------0度;
  1.0ms------------45度;
  1.5ms------------90度;
  2.0ms-----------135度;
  2.5ms-----------180度;
  舵机的追随特性:
  假设现在舵机稳定在A点,这时候CPU发出一个PWM信号,舵机全速由A点转向B点,在这个过程中需要一段时间,舵机才能运动到B点。
  保持时间为Tw
  当Tw≥△T时,舵机能够到达目标,并有剩余时间;
  当Tw≤△T时,舵机不能到达目标;
  理论上:当Tw=△T时,系统最连贯,而且舵机运动的最快。
  实际过程中w不尽相同,连贯运动时的极限△T比较难以计算出来。
    假如我们的舵机1DIV =8us,当PWM信号以最小变化量即(1DIV=8us)依次变化时,舵机的分辨率最高,但是速度会减慢。
  智能车舵机控制算法详解

  舵机:小车转向的控制机构。也就是控制小车的转向。它的特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、成本较低等。舵机的主要性能取决于最大力矩和工作速度(一般是以秒/60°为单位)。它是一种位置伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统。在机器人的控制系统中,舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机能够在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出值得单片机系统很容易与之接口。

    组成:舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等

  工作原理:控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

  输入线:中间红色——电源线Vcc;黑色——地线GND;白色/橘黄色——控制信号线

  信号:pwm信号,其中脉冲宽度从0.5-2.5ms(周期为20ms),相对应的舵盘位置为0-180度,呈线性变化。
  pwm波脉冲宽度与舵机转角角度的关系:

  也就是不同脉冲宽度的pwm波,舵机将输出不同的轴转角。所以要控制小车的转角,我们就要控制输出不同脉冲宽度的pwm波。


  PWM:脉冲宽度调制
  原理:对电路元件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。猪八戒的耙子就可以看似脉冲宽度相等的pwm波形。那不相等的呢,可以 把一排身高相等但胖瘦不同的人排排站看做脉冲宽度不相等的pwm波形。比如这里有一个简单的电路:
  我们以5s为一个周期,在每一个5s内,前3s开关打开,后2s开关闭合,则ab端电压将会这样变化:
  对电路元件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲。
  在这个例子中,输入信号脉冲宽度为3s,周期为5s。
  重复一下:所以要控制小车的转角,我们就要控制输出不同脉冲宽度的pwm波。




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最新评论

鸣涧 2019-9-25 00:39
PID控制:一种调节器控制规律为比例、积分、微分的控制。其中:P:比例(proportion)、I:积分(integral)、D:导数(derivative)
智能车舵机控制算法详解
  式子中Kp为比例系数,Ti为积分时间参数,Td为微分时间常数。
  各个参数的意义作用:
  Kp:比例系数。一般增大比例系数,将加快系统的响应。
  Ti:积分时间常数。一般地,积分控制通常与比例控制或比例微分控制联合使用,构成 PI或 PID控制.增大积分时间常数 (积分变弱)有利于小超调,减小振荡,使系统更稳定,但同时要延长系统消除静差的时间.积分时间常数太小会降低系统的稳定性,增大系统的振荡次数.
  Td:微分时间常数。一般微分控制和比例控制和比例积分控制联合使用,组成PD或PID控制,微分控制可改善系统的动态特性。
  PID的控制方法常用的有两种:
  1.增量式PID
  所谓的增量,就是本次控制量和上次控制量的差值。增量式PID是一种对控制量的增量进行PID控制的一种控制算法。
智能车舵机控制算法详解
  (说明:Kp-》P,Ki-》I,Kd-》D,e数组-》error数组,
  e[n]-》本次差值,e[n-1]-》上次差值,e[n-2]-》上上次差值)
  举个例子,增量式PID可以应用在电机上。
  假设当前电机PID的pwm值为5000(精度为10000,即此时的占空比为50%)。对应的速度为100r/s。
  程序发出一个命令,要求pwm输出为0,即要求停车。(可能有人有疑问为什么不直接程序给pwm为0,这也是一种方法,可是由于惯性的存在,小车会在一段时间后才停下。)
  这时,我们可以采用PID控制的方法来实现。
  我们在程序中定义几个变量:
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  根据公式,我们编写程序:
  
  1. void PID()
  2.   {
  3.   /*
  4.   增量式PID
  5.   P=Kp*(error-error_pre);
  6.   D=Kd*(error-2*error_pre+error_pre_pre);
  7.   I=Ki*error;
  8.   Pwm+=P+I+D;
  9.   */
  10.   error=speed_want-speed_now; //speed_now可以通过编码器采值等等方式得到
  11.   pwm_duty+=(int)(P*(error-error_pre)+I*error+D*(error-2*error_pre+error_pre_pre));
  12.   //注意上面的加号,加号是增量式PID的体现。我们对增量(即右边的式子)进行PID控制。
  13.   error_pre_pre=error_pre;
  14.   error_pre=error;
  15.   }
复制代码

  当函数运行第一次的时候,输出的pwm为:
智能车舵机控制算法详解
  电机给了一个反转的力,小车前进受到了阻力,于是可以很快的停下来了。
  2、位置式PID
  与增量式不同,位置式PID不需要对控制量进行记忆,直接对偏差值进行计算得出期望的pwm。公式:
智能车舵机控制算法详解
  (说明:Kp-》P,Ki-》I,Kd-》D,ek-》本次误差、ek-1-》上次误差)
  举个例子,位置式PID可以应用在舵机上。因为舵机本次的pwm输出值与上次pwm输出值关系不太,舵机需要的是快速转到某个角度。
  假设舵机pwm输出1000时舵盘转轴为90°,pwm输出0时舵盘转轴为0°,pwm输出2000时舵盘转轴为180°。
  现在舵机pwm输出为1500,我们要让舵盘转到最中间。
  在这里我们采用PD控制,即I值为0(I值为偏差的积分,即对偏差求和。我们当时试验小车的舵机控制时发现I值可以省略,PD控制足矣。当然,具体需不需要I项要在实际中进行分析验证)。
  代码:
 
  1.  pwm_duty=(int)(P*error+D*(error-error_pre); //红色部分表示这是位置式PID控制
复制代码

  反馈系统:
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