舵機(jī)概要

小車轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)。也就是控制小車的轉(zhuǎn)向。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝調(diào)試、控制簡(jiǎn)單、大扭力、成本較低等。舵機(jī)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(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)能夠在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出值得單片機(jī)系統(tǒng)很容易與之接口。

舵機(jī)組成和工作原理

組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路等

工作原理：控制信號(hào)→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→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(hào)線

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

pwm波脈沖寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)角角度的關(guān)系：

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

PWM：脈沖寬度調(diào)制

原理：對(duì)電路元件的通斷進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的電路：

我們以5s為一個(gè)周期，在每一個(gè)5s內(nèi)，前3s開(kāi)關(guān)打開(kāi)，后2s開(kāi)關(guān)閉合，則ab端電壓將會(huì)這樣變化：

（對(duì)電路元件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。）

（在這個(gè)例子中，輸入信號(hào)脈沖寬度為3s，周期為5s。）

重復(fù)一下：所以要控制小車的轉(zhuǎn)角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

還有一個(gè)新的概念——占空比。

占空比：在周期型的現(xiàn)象中，某種現(xiàn)象發(fā)生后持續(xù)的時(shí)間與總時(shí)間的比

例如，在成語(yǔ)中有句話：「三天打漁，兩天曬網(wǎng)」，如果以三天為一個(gè)周期，“打漁”的占空比則為三分之一。（這一行和上一行摘自百度百科，版權(quán)歸百度百科。）

因?yàn)楦杏X(jué)這個(gè)成語(yǔ)說(shuō)得很對(duì)，就拿來(lái)它做例子，根據(jù)這個(gè)成語(yǔ)，大家也應(yīng)該懂占空比的意思了（所以上圖簡(jiǎn)單的電路，它的占空比應(yīng)該是3/5）。

PID控制：一種調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分的控制。其中：P：比例（proportion）、I：積分（integral）、D：導(dǎo)數(shù)（derivative）

式子中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間參數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

各個(gè)參數(shù)的意義作用：

Kp：比例系數(shù)。一般增大比例系數(shù)，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)。

Ti：積分時(shí)間常數(shù)。一般地，積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成PI或PID控制．增大積分時(shí)間常數(shù)（積分變?nèi)酰┯欣谛〕{(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時(shí)要延長(zhǎng)系統(tǒng)消除靜差的時(shí)間．積分時(shí)間常數(shù)太小會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)．

Td：微分時(shí)間常數(shù)。一般微分控制和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成PD或PID控制，微分控制可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

PID的控制方法

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(duì)控制量的增量進(jìn)行PID控制的一種控制算法。

公式：

（說(shuō)明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，e數(shù)組-》error數(shù)組，

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

舉個(gè)例子，增量式PID可以應(yīng)用在電機(jī)上。

假設(shè)當(dāng)前電機(jī)PID的pwm值為5000（精度為10000，即此時(shí)的占空比為50%）。對(duì)應(yīng)的速度為100r/s。

程序發(fā)出一個(gè)命令，要求pwm輸出為0，即要求停車。（可能有人有疑問(wèn)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(huì)在一段時(shí)間后才停下。）

這時(shí)，我們可以采用PID控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

我們?cè)诔绦蛑卸x幾個(gè)變量：

intspeed_now=100;//此刻的速度

intspeed_want=0;//期望輸出的速度

intpwm_duty=0;//本次pwm輸出值

floatP=100，I=20，D=2;//PID數(shù)值

floaterror_pre_pre=0;//上上次差值

floaterror_pre=0.0;//上次差值

floaterror=0.0;//本次差值

根據(jù)公式，我們編寫程序：

voidPID（）

{

/*

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(guò)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(hào)，加號(hào)是增量式PID的體現(xiàn)。我們對(duì)增量（即右邊的式子）進(jìn)行PID控制。

error_pre_pre=error_pre;

error_pre=error;

}

當(dāng)函數(shù)運(yùn)行第一次的時(shí)候，輸出的pwm為：

電機(jī)給了一個(gè)反轉(zhuǎn)的力，小車前進(jìn)受到了阻力，于是可以很快的停下來(lái)了。

增量式PID的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)：

①算式中不需要累加?？刂圃隽喀（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；

②計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程；

③手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，可以作到無(wú)擾動(dòng)切換。

缺：需要對(duì)控制量進(jìn)行記憶。

2.位置式PID

與增量式不同，位置式PID不需要對(duì)控制量進(jìn)行記憶，直接對(duì)偏差值進(jìn)行計(jì)算得出期望的pwm。

公式：

舉個(gè)例子，位置式PID可以應(yīng)用在舵機(jī)上。因?yàn)槎鏅C(jī)本次的pwm輸出值與上次pwm輸出值關(guān)系不太，舵機(jī)需要的是快速轉(zhuǎn)到某個(gè)角度。

假設(shè)舵機(jī)pwm輸出1000時(shí)舵盤轉(zhuǎn)軸為90°，pwm輸出0時(shí)舵盤轉(zhuǎn)軸為0°，pwm輸出2000時(shí)舵盤轉(zhuǎn)軸為180°。

現(xiàn)在舵機(jī)pwm輸出為1500，我們要讓舵盤轉(zhuǎn)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(duì)偏差求和。我們當(dāng)時(shí)試驗(yàn)小車的舵機(jī)控制時(shí)發(fā)現(xiàn)I值可以省略，PD控制足矣。當(dāng)然，具體需不需要I項(xiàng)要在實(shí)際中進(jìn)行分析驗(yàn)證）。

代碼：

其他：

反饋系統(tǒng)：

舵機(jī)用PID控制是使小車保持在賽道中央，即偏移距離為0.根據(jù)傳感器反饋過(guò)來(lái)的偏移距離用PID計(jì)算出給舵機(jī)的脈寬，這樣就會(huì)使小車的偏移距離為0。在飛思卡爾智能車項(xiàng)目里面，我們就會(huì)用到PID算法，比如車爬坡和平底連續(xù)拐彎時(shí)。

PID算法的應(yīng)用基礎(chǔ)最開(kāi)始是對(duì)PCB板上的運(yùn)放的PID參數(shù)就行調(diào)校。P對(duì)應(yīng)于運(yùn)放增益；I是運(yùn)放輸入和輸出端之間接一個(gè)電容引入反饋，就是控制器的輸出和輸入誤差會(huì)累積起來(lái)影響輸出；D就是運(yùn)放輸入端串接一個(gè)電容，起的微分作用是阻止輸出與輸入誤差的變化，結(jié)合示波器來(lái)觀察控制電機(jī)的PID參數(shù)設(shè)定。

PID一般有兩種：位置式PID和增量式PID。在小車中一般用增量式。因?yàn)槲恢檬絇ID的輸出與過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e（每一次的控制誤差）進(jìn)行累加，這個(gè)計(jì)算量非常大，而且沒(méi)有必要。而且小車的PID控制器的輸出并不是絕對(duì)數(shù)值，而是要一個(gè)△，代表增多少，減多少。通過(guò)增量PID算法，每次輸出是PWM要增加多少或者減少多少，而不是PWM的實(shí)際值。