智能车舵机控制算法详解

鸣涧

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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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）
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　　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。
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　　（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：
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　　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：
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　　（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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