上一篇文章：看完這篇文章，還不會做平衡小車，你來打我。描述了平衡小車的制作過程，也開源了一部分設計資料。在上篇文章留言中，有朋友說：

安排，必須安排！

關于 PID 的概念，網上相關的帖子太多，在此不再贅述。之前也有過幾篇關于 PID 的文章： 再論 PID，PID 其實很簡單。。。PID 算法搞不懂？看這篇文章就夠了。

這次我們聊下關于平衡小車中的 PID，在平衡小車的 PID 中，分為三種 PID，分别是直立環、速度環、轉向環。任何一個 PID 最終計算出來的都是電機 PWM，都是需要賦值給電機的。環環嵌套，得出電機的最終控制 PWM。

在直立環中，PID 的入口參數為：平衡小車的姿态角和姿态角對應的角速度。

值得說明，MPU6050 得出來的姿态角有三種：PITCH（俯仰角）、ROLL（翻滾角）、YAW（航向角）一般來說，MPU6050 都是平方且平行裝在平衡小車上，總不會有人垂直裝吧

如果平放且平行安裝，那麼直立環 PID 的入口參數為：Pitch 或 roll。直立環中，有一個較為重要的概念，也就是機械中值。通俗講，小車在不接受任何外力或者電機作用，能夠找到一個角度自我平衡。如何理解這句話：很簡單，小車電機不轉動，人的手扶着小車，小車總能找到一個角度，自我短期平衡。此時的角度就是機械中值。

直接看代碼：

/*******************************************************************函數功能：直立 PD 控制入口參數：角度、機械平衡角度（機械中值）、角速度返回 值：直立控制 PWM作 者：公衆号【大魚機器人】******************************************************************/int balance_UP(float Angle,float Mechanical_balance,float Gyro){ float Bias;// 角度誤差 int balance;// 直立環計算出來的電機控制 pwm Bias=Angle-Mechanical_balance; //===求出平衡的角度中值和機械相關 balance=balance_UP_KP*Bias balance_UP_KD*Gyro; //===計算平衡控制的電機 PWM PD 控制 kp 是 P 系數 kd 是 D 系數 return balance;}

從程序上看：balance_UP_KP 為直立環的 P，balance_UP_KD 為 直立環的 D。如何确定 P 和 D 的大小和極性？

2.1 直立環 P 範圍确定：

需要先确定 PWM 的範圍，例如，定時器最大的 PWM 為 7200，此時占空比為 100%，電機應該是全速運行。如果小車需要直立，擺幅，差不多就要≤10°。,如果超過此範圍，小車抖動較為厲害根據直立環的程序：

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:直立環的 P 可選範圍應該在 0~700。

當然這隻是個大緻的範圍，具體多少還需要進一步調試。

2.2 直立環 P 極性确定：

極性也就是符号，P 到底是給正的，也是負的。

直接給 kp 正負值，然後觀察現象：

正常出現的現象是負反饋，小車往那邊倒，電機轉動使得小車往要倒的方向去追。使得小車能夠往反方向站起來！

如果出現正反饋，車往哪邊倒，電機轉動使得小車快速倒下。這種現象就是不對的。

2.3 直立環 P 大小确定：

慢慢試錯，從小到大，響應慢慢加快也就是小車倒下後恢複直立的時間越來越短，直到小車出現大幅度的低頻抖動！

此時的 P 可以确定。

2.4 直立環 D 極性确定：

D 的極性較為好确定，設 P 為 0，D 給正負值，分别去試，看效果。

當拿起小車進行旋轉時，小車的輪子應該是小車旋轉方向相同，此時說明極性是對的。

如果小車的輪子轉動和小車的轉動方向不相同，說明此時極性是反的！

2.5 直立環 D 大小确定：

D 的大小，需要聯合 P 去調試，在 P 調好的基礎上，加入 D，從小到大慢慢去試，從程序 PD 可以看到，D 對應的是角速度，由于角速度都是四位數以上的數值，所以可以從 0.1 開始試。一直到小車出現高頻的劇烈抖動。

需要說明的是，如果小車各方面機械機構都分布較為均勻，重量分布較好，重心較低，小車靠單純的直立環能夠暫穩。

但一般來說，沒有誰的小車機械結構做的很好。所以說，單純靠直立環是無法将小車站穩的。需要再加入速度環。

單純的直立環能使小車站穩 5s 就說明調的很好了！

速度環中，采用 PI 控制，積分控制和比例控制有一定的比例關系。

這裡可以确定為 200，别問為什麼，沒有為什麼。問就是 200！速度環的入口參數，為小車的 2 個電機編碼器數值，也就是測速！沒有小車速度的實時反饋，談何速度閉環。看代碼：

/**************************************入口參數：電機編碼器的值返回 值：速度控制 PWM作 者：公衆号【大魚機器人】**************************************/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; //===獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）- 目标速度（此處為零） Encoder *= 0.7; //===一階低通濾波器 Encoder = Encoder_Least*0.3; //===一階低通濾波器 Encoder_Integral =Encoder; //===積分出位移 積分時間：10ms if(Encoder_Integral>10000) Encoder_Integral=10000; //===積分限幅 if(Encoder_Integral<-10000) Encoder_Integral=-10000; //===積分限幅 Velocity=Encoder*velocity_KP Encoder_Integral*velocity_KI; //===速度控制 if(pitch<-40||pitch>40) Encoder_Integral=0; //===電機關閉後清除積分 return Velocity;}

3.1 速度環 P 範圍确定：

同樣的，和直立環 P 的大小範圍确定一樣，我們需要得到電機編碼器的最大值和 PWM 的最大值的關系！

從程序中可以看到，我們應該比較的是，2 個電機的速度偏差和 pwm 的關系。

比如：用 STM32 定時器的正交解碼模式對電機進行測速，10ms 一次。

小車電機滿速旋轉時，左右兩個電機，編碼器相加可達 160。

假設速度偏差（實際測量值與理想值）達到 50%時滿轉。

那麼有，160/2=80，7200/80=90，也就說 kp 最大為 90。

(注意，這裡隻是在假設 50%的前提下).

90 隻是一個參考值，具體多少，還是需要根據，實際測試的效果。

3.2 速度環 P 極性确定：

确定 P 的極性，需要關閉前文的直立環，也就是說整個系統的控制參數隻能有速度環的 P。

單單靠直立環控制小車，小車能短暫直立，但會出現往前走或往後走，然後倒下，那麼速度環就是用來抑制此現象的出現。

從上文程序中可以看到：

Encoder_Least =(Encoder_Left Encoder_Right)-0; //===獲取最新速度偏差==測量速度（左右編碼器之和）- 目标速度（此處為零）

這句程序的意思就是，獲取最新速度偏差，控制小車目标速度為 0。

直立環中控制小車不倒下是用來控制小車的角度，所以直立環的機械中值是：角度

速度環控制小車不倒下是用來控制小車的速度，所以速度環的“中值”就是：速度為 0

應該不難理解！

那麼如何抑制小車速度為 0 呢?

既然我們可以知道小車的當前速度，隻要速度環的 P 為正反饋即可，意思就是假如向前倒，那麼小車就要以更快的速度向前沖，保持直立。

同樣的，屏蔽前文的直立環，分别給速度環 P 正負值，看現象。

正反饋的現象為：

當旋轉其中一個輪子，兩個輪子往相同方向旋轉，到速度最大值。此時應該為正反饋。此時的現象說明，速度環的 P 極性是對的！

如果出現旋轉其中一個輪子，另外一個輪子往反方向轉動，讓偏差趨向于零。這就是負反饋，此時說明 P 極性錯誤！

3.3 速度環 P 大小确定：

确定 P 極性和大小之後，由于 P 和 I 有比例關系且 P 為 I 的 200 倍！P 和 I 的大小可以一同調試，可以将 P 和 I 慢慢從小到大的參數去試，觀看小車效果。

如果出現以下效果：

1、小車放在地上，慢慢的，随着時間越來越長，小車會來回晃蕩，此時可以認為 P 和 I 的參數過小。

2、小車放在地上，用手去推，如果小車無法回到初始位置，一直來回晃蕩，來回晃蕩的時候，車身出現較為大的傾斜，此時可以認為 P 和 I 的參數過大。如果車身沒有出現較大的傾斜，隻是小車來回晃蕩，此時可以認為 P 和 I 的參數過小。

關于速度環的初步調試，大緻就講到這裡，這種試錯的方法是較為愚鈍的，但卻是較為方便且簡單的一種方法。

可以幫助大家很快速的調試站立好小車。

關于轉向環，其實沒什麼好講的，很多種轉彎方式，P 控制，固定電機 pwm 差速控制，唯一牽扯到的就是轉向環可以矯正小車走直線的問題，這個可以單獨拉出來進行聊聊。在這裡不再聊了。

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