【十七屆恩智浦智能車】有刷平衡單車——控制篇（串級(jí)）

• 寫(xiě)在前面
• 有刷平衡單車全控制
• • 單車平衡穩(wěn)定
  • • 陀螺儀姿態(tài)解算
    • 增量式PID和位置式PID
    • 電機(jī)串級(jí)調(diào)試
    • • ==角速度環(huán)==
      • ==角度環(huán)==
      • ==速度環(huán)==
      • 調(diào)試方法
      • 舵機(jī)環(huán)——?jiǎng)討B(tài)零點(diǎn)
  • 單車行走直立
  • • 行走姿態(tài)受力分析
    • 向心力環(huán)處理方式
• 部分代碼
• • • 補(bǔ)充
• ==寫(xiě)得不好僅供參考，如有意見(jiàn)以你為準(zhǔn)，希望大家取得好成績(jī)（沖無(wú)刷）==

寫(xiě)在前面

大二第一次參加智能車競(jìng)賽，u1s1這比賽是真滴燒幣，（不排除是我老弄炸東西的可能），花了少說(shuō)4個(gè)月，學(xué)到的東西不多，心態(tài)倒是好了不少，總體還算是有收獲，還是遺憾占大頭，現(xiàn)在已經(jīng)想找別的東西做了，就把所學(xué)分享給大家吧！；有不少人剛接觸動(dòng)輪，對(duì)有刷不是很熟悉，如果按照Lq官方開(kāi)源代碼調(diào)不成功十有八九是電機(jī)出事了，按照以下方向調(diào)串級(jí)，可以達(dá)到不抖且中度抗干擾。希望龍邱品控能更好一點(diǎn)（Lq的驅(qū)動(dòng)做的還不錯(cuò)- =），希望逐飛的方案能更早一點(diǎn)（狗頭保命）

有刷平衡單車全控制

單車平衡穩(wěn)定

陀螺儀姿態(tài)解算

首先是關(guān)于陀螺儀的選取，我們選擇的是龍邱的Mpu6050，配合Lq開(kāi)源的DMP進(jìn)行角度融合，實(shí)測(cè)角度實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性不錯(cuò)。但是由于DMP解算的問(wèn)題，上電以后會(huì)飄幾十秒，需要扶穩(wěn)等待(坑1)，缺點(diǎn)還是Lq質(zhì)量堪憂，一共壞了三個(gè)最后使用祖?zhèn)髟覯pu。

嘗試過(guò)使用icm20602經(jīng)過(guò)濾波處理通過(guò)四元素融合解算角度，實(shí)測(cè)角速度精度高且相較MPU受噪音影響小，對(duì)角速度環(huán)擬合幫助大，缺點(diǎn)是四元素融合在靜態(tài)會(huì)由于噪音影響積分增大，但有細(xì)微振動(dòng)則不會(huì)，因此實(shí)測(cè)對(duì)單車影響不大，推薦使用該方案！

增量式PID和位置式PID

詳見(jiàn)https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/89508034
侵刪

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，增量式和位置式本質(zhì)相同，對(duì)位置式來(lái)說(shuō),PID分別進(jìn)行比例、積分、微分對(duì)應(yīng)現(xiàn)在、過(guò)去、未來(lái)，而增量式的I在形式上則恰好與位置式P等同，其他兩個(gè)參數(shù)同理，并且有運(yùn)算量少的優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)串級(jí)調(diào)試

串級(jí)框架方面，由于角速度的響應(yīng)快速以及動(dòng)量輪平衡所根據(jù)的動(dòng)量守恒原理，將角速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)輸出，而中間是角度環(huán)，外面則是速度環(huán)，淺圖示一下：

角速度環(huán)

角速度環(huán)方面使用的是增量式PD，看到有人是使用位置式的，其實(shí)兩種基本一樣，只不過(guò)增量式計(jì)算量較小，對(duì)算力壓力不大，另外在單車這種高速振動(dòng)的系統(tǒng)中，實(shí)測(cè)增量式中加入積分環(huán)節(jié)效果一般，很容易因各種問(wèn)題導(dǎo)致飽和，當(dāng)然也有看到使用位置式PID調(diào)的很好的，這可能和陀螺儀的漂移有關(guān)，也就要大家自己來(lái)選取一款合適的陀螺儀了，這里就拋磚引玉一下。

角度環(huán)

在Lq所開(kāi)源的Lqr算法當(dāng)中是以角度環(huán)作為主輸出，其中用一個(gè)D來(lái)處理角速度，實(shí)際上加速度才是真正要考慮的點(diǎn)，這也是不耐造的原因之一，（或許加一個(gè)角速度環(huán)會(huì)更好？？？）在調(diào)試過(guò)程中，角度環(huán)主要是用來(lái)補(bǔ)償速度環(huán)帶來(lái)的溢出或者延遲，因此角度環(huán)我只采用了簡(jiǎn)單的位置式P進(jìn)行處理，并且調(diào)試過(guò)程中是粗調(diào)的。

速度環(huán)

速度環(huán)雖然作為最外環(huán)，我卻認(rèn)為是很重要的一環(huán)，因?yàn)樗麤Q定了你單車受到干擾后保持穩(wěn)定的能力，采用的是位置式PID進(jìn)行精調(diào)。很多人不理解速度環(huán)到底是怎么作為輸入的？？？？？？？很簡(jiǎn)單的例子，假設(shè)單車往左倒需要?jiǎng)虞喣鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（車屁股視角），通過(guò)編碼器的極性你就可以判斷出此時(shí)車身的姿態(tài)到底是往哪邊倒的，此時(shí)為了讓車往右的方向歸，便需要不斷加速來(lái)平衡，這中間就涉及到了溢出的問(wèn)題，也就是車子會(huì)向右倒，這時(shí)候就需要粗調(diào)角度環(huán)來(lái)抑制這個(gè)影響。（當(dāng)車身右倒，角度環(huán)大就抵消了）

調(diào)試方法

先精調(diào)角速度環(huán)，到往一個(gè)方向倒開(kāi)始覺(jué)得困難了就可以調(diào)速度環(huán)，加上了速度環(huán)以后，車子能立2s左右倒下后開(kāi)始調(diào)速度環(huán)，一開(kāi)始建議大家三個(gè)環(huán)都只進(jìn)行普通的P控制，實(shí)測(cè)效果也非常好，能立且抗干擾能力比Lqr好太多。調(diào)參過(guò)程中盡可能大的增加速度環(huán)，外界干擾姿態(tài)，觀察歸正情況，若有過(guò)沖則增大角度環(huán)，而角速度環(huán)更像是一個(gè)比例系數(shù)（如果是純P），所有的修正均可通過(guò)修正速度環(huán)處理，調(diào)好以后加上D值精調(diào)。

舵機(jī)環(huán)——?jiǎng)討B(tài)零點(diǎn)

調(diào)好了平衡以后就該引入舵機(jī)輸入了，舵機(jī)打角以后車身姿態(tài)是顯而易見(jiàn)的會(huì)變的，我們可以通過(guò)關(guān)閉電機(jī)后手扶單車測(cè)量中點(diǎn)的角度變化，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比例系數(shù)P，對(duì)舵機(jī)PWM輸入進(jìn)行處理并輸出疊加到零點(diǎn)上。

4.27補(bǔ)充：有關(guān)于舵機(jī)對(duì)于姿態(tài)平衡的影響，其實(shí)是分兩個(gè)方面的，首先是舵機(jī)打角后零點(diǎn)的改變，第二個(gè)比較容易忽視的地方是舵機(jī)打角過(guò)程中與地面的作用力，該點(diǎn)影響因素較多，因此直接上上位機(jī)進(jìn)行滿打角對(duì)角度進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)因素極性相反，但是后者很快會(huì)被抵消，但是處理不好也是調(diào)試過(guò)程中倒地的重要因素之一，以下是上位機(jī)測(cè)試

單車行走直立

行走姿態(tài)受力分析

暫時(shí)懶得寫(xiě)了，同樣是動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，轉(zhuǎn)哪邊零點(diǎn)就往哪邊，處理好了就可以壓彎。

向心力環(huán)處理方式

暫時(shí)懶得寫(xiě)了，同樣是簡(jiǎn)單P，別問(wèn)為啥不用F=(m*v^2)/2,實(shí)測(cè)調(diào)好了能用，當(dāng)然也可以嘗試一下，算法總能找到更好的，調(diào)好了無(wú)差別壓彎，至少1m的速度可以流暢控制轉(zhuǎn)向。（前提是前面所有參數(shù)調(diào)試好藍(lán)牙控制飛一般的感覺(jué)）

部分代碼

完成以上的調(diào)試步驟，基本上完賽速度就能上0.7以上了，當(dāng)然這肯定不是最完美的控制系統(tǒng)，只是給大家一個(gè)思路，也沒(méi)必要無(wú)腦沖LQ的開(kāi)源代碼。（最近逐飛剛出無(wú)刷新方案，真的猛，建議大家可以嘗試用該套路嵌入無(wú)刷中控制，無(wú)刷存的力比有刷大得多，主要是不容易燒，但是他的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速?zèng)]那么好控制叭）

補(bǔ)充

增量式PI中并不是不能用I，純角速度PI效果甚至比角速度P與速度P耦合更加好，其中作出的對(duì)積分的限制決策大家可以自己決定，可以貼上幾個(gè)思路供大家參考，其中思路3實(shí)測(cè)可行。

寫(xiě)得不好僅供參考，如有意見(jiàn)以你為準(zhǔn)，希望大家取得好成績(jī)（沖無(wú)刷）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【十七届恩智浦智能车】平衡单车——控制篇（串级）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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