智能車舵機控制算法詳解

舵機的原理和控制

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

舵機的追隨特性：

假設現在舵機穩定在A點，這時候CPU發出一個PWM信號，舵機全速由A點轉向B點，在這個過程中需要一段時間，舵機才能運動到B點。

保持時間為Tｗ

當Tｗ≥△T時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間；

當Tｗ≤△T時，舵機不能到達目標；

理論上：當Tｗ=△T時，系統最連貫，而且舵機運動的最快。

實際過程中ｗ不盡相同，連貫運動時的極限△T比較難以計算出來。

假如我們的舵機1DIV =8us，當PWM信號以最小變化量即（1DIV=8us）依次變化時，舵機的分辨率最高，但是速度會減慢。

智能車舵機控制算法詳解

舵機：小車轉向的控制機構。也就是控制小車的轉向。它的特點是結構緊湊、易安裝調試、控制簡單、大扭力、成本較低等。舵機的主要性能取決于最大力矩和工作速度（一般是以秒/60°為單位）。它是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統。在機器人的控制系統中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機能夠在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出值得單片機系統很容易與之接口。

組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路等

工作原理：控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。

輸入線：中間紅色——電源線Vcc；黑色——地線GND；白色/橘黃色——控制信號線

信號：pwm信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5ms（周期為20ms），相對應的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。

pwm波脈沖寬度與舵機轉角角度的關系：

也就是不同脈沖寬度的pwm波，舵機將輸出不同的軸轉角。所以要控制小車的轉角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

PWM：脈沖寬度調制

原理：對電路元件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。豬八戒的耙子就可以看似脈沖寬度相等的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脈沖寬度不相等的pwm波形。比如這里有一個簡單的電路：

我們以5s為一個周期，在每一個5s內，前3s開關打開，后2s開關閉合，則ab端電壓將會這樣變化：

對電路元件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。

在這個例子中，輸入信號脈沖寬度為3s，周期為5s。

重復一下：所以要控制小車的轉角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

PID控制：一種調節器控制規律為比例、積分、微分的控制。其中：P：比例（proportion）、I：積分（integral）、D：導數（derivative）

式子中Kp為比例系數，Ti為積分時間參數，Td為微分時間常數。

各個參數的意義作用：

Kp：比例系數。一般增大比例系數，將加快系統的響應。

Ti：積分時間常數。一般地，積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯合使用，構成 PI或 PID控制．增大積分時間常數 （積分變弱）有利于小超調，減小振蕩，使系統更穩定，但同時要延長系統消除靜差的時間．積分時間常數太小會降低系統的穩定性，增大系統的振蕩次數．

Td：微分時間常數。一般微分控制和比例控制和比例積分控制聯合使用，組成PD或PID控制，微分控制可改善系統的動態特性。

PID的控制方法常用的有兩種：

1.增量式PID

所謂的增量，就是本次控制量和上次控制量的差值。增量式PID是一種對控制量的增量進行PID控制的一種控制算法。

（說明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，e數組-》error數組，

e［n］-》本次差值，e［n-1］-》上次差值，e［n-2］-》上上次差值）

舉個例子，增量式PID可以應用在電機上。

假設當前電機PID的pwm值為5000（精度為10000，即此時的占空比為50%）。對應的速度為100r/s。

程序發出一個命令，要求pwm輸出為0，即要求停車。（可能有人有疑問為什么不直接程序給pwm為0，這也是一種方法，可是由于慣性的存在，小車會在一段時間后才停下。）

這時，我們可以采用PID控制的方法來實現。

我們在程序中定義幾個變量：

根據公式，我們編寫程序：

void PID（）

{

/*

增量式PID

P=Kp*（error-error_pre）;

D=Kd*（error-2*error_pre+error_pre_pre）;

I=Ki*error;

Pwm+=P+I+D;

*/

error=speed_want-speed_now; //speed_now可以通過編碼器采值等等方式得到

pwm_duty+=（int）（P*（error-error_pre）+I*error+D*（error-2*error_pre+error_pre_pre））;

//注意上面的加號，加號是增量式PID的體現。我們對增量（即右邊的式子）進行PID控制。

error_pre_pre=error_pre;

error_pre=error;

}

當函數運行第一次的時候，輸出的pwm為：

電機給了一個反轉的力，小車前進受到了阻力，于是可以很快的停下來了。

2、位置式PID

與增量式不同，位置式PID不需要對控制量進行記憶，直接對偏差值進行計算得出期望的pwm。公式：

（說明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，ek-》本次誤差、ek-1-》上次誤差）

舉個例子，位置式PID可以應用在舵機上。因為舵機本次的pwm輸出值與上次pwm輸出值關系不太，舵機需要的是快速轉到某個角度。

假設舵機pwm輸出1000時舵盤轉軸為90°，pwm輸出0時舵盤轉軸為0°，pwm輸出2000時舵盤轉軸為180°。

現在舵機pwm輸出為1500，我們要讓舵盤轉到最中間。

在這里我們采用PD控制，即I值為0（I值為偏差的積分，即對偏差求和。我們當時試驗小車的舵機控制時發現I值可以省略，PD控制足矣。當然，具體需不需要I項要在實際中進行分析驗證）。

代碼：

pwm_duty=（int）（P*error+D*（error-error_pre）; //紅色部分表示這是位置式PID控制

反饋系統：