平衡步兵底盘PID参数调试记录

一、摘要

1. 本文主要记录自己调试平衡底盘过程中的经验以及理解，涉及到自己的调试思路以及控制思路，未涉及到具体代码
2. 芯片型号使用RoboMaster开发板C型，电机型号为MF9025
3. 采用CAN控制+PID算法，C板自带的BMI088陀螺仪

二、PID算法理解

在测试之前先要弄清楚什么是PID算法？

PID算法是由比例（Proportional，P）、积分（Integral，I）和微分（Derivative，D）三种算法组成，通俗点理解就是通过PID三个参数一系列的计算，使得实际的目标值无限的接近于期望值。在实际控制中，会进行不同的组合来达到不同的控制效果。

下面分别对三个参数进行简单的理解：

比例（Proportional）参数

        比例参数是根据当前误差（实际值与目标值之间的差异）的大小来调整控制器输出的部分。减小测量值(如平衡小车实际角度)和理论值(如平衡小车平衡时期望的0度)之间的误差(差值)，让测量值不断接近理论值。它使得系统对误差做出快速而直接的响应。

具体表达式：输出=p参数×误差(误差=测量者-理论值)。

可以看出，误差越大，p的输出也越大；

微分（Derivative）

        微分参数根据误差变化的速率来调整控制器的输出。它可以抑制系统的过度振荡，并提高系统的稳定性。可以将D的作用作用是“阻尼”。如果系统误差很大(比如把平衡小车放倒30度)或p参数较大，那么p的输出就会很大，导致系统剧烈响应，出现过冲现象(在平衡小车中表现为大幅度低频震荡)，此时就需要用到D算法来抑制，让系统可以刚好停在理论值而不过冲。就好像在水里挥拳，挥的速度越快，受到水的阻力越大，越难继续挥拳。这个“水的阻力”跟D算法的作用很像，因此可以把d算法理解为“阻尼”，抑制过冲现象。

具体表达式：输出=d参数×(此次误差-上一次误差)。

此次误差与上一次误差的差值反映的是误差的变化速度(比如在平衡小车自平衡的过程中，t0时刻的误差是30度，t1时刻10度，t2时刻5度，那么t0到t1时刻的误差变化速度较大，t1到t2时刻较小)。可以看出，两次误差的差值越大，d的输出也越大，抑制效果越明显；

积分（Integral）

        积分参数考虑过去的误差积累，通过积分控制来减小稳态误差。换句话讲：I算法的作用是消除稳态误差。当系统误差已经接近0时，p的输出会很小，起不到继续减小误差的作用，导致误差始终没办法减小到0。这个时候就需要用到i算法，让误差值不断累加，并将累加后的值输出。I算法常用于精确的控制，比如控制小车的速度和转向角精确维持在某个值。它对于系统长时间处于偏离目标值的状态时非常有用。

具体表达式：输出=i参数×误差的累加。

可以看出，只要存在误差(这种误差叫稳态误差)，不论误差有多小，i的输出也会像滚雪球一样越滚越大；

三、平衡底盘PID含义及算法关系

PID映射

我们可以根据PID原理将其应用到平衡底盘控制中，在这之前需要将正确获取陀螺仪的数据以及正常的电机控制。

参考网络上平衡车的说明以及其他高校开源的平衡控制，平衡车PID包含直立环、速度环、转向环三个环向控制。但是放在平衡步兵上，每个大环是不够的，所以又拆分为两个PID控制器。直立环包含倾角、倾斜角速度，速度环包含位移、运动速度，转向环使用串级PID计算，其中旋转偏角PID的输出作为旋转角速度PID的期望。

底盘各PID控制器划分及关系

 这里速度环和平衡环采用混连PID并联结构，转向环采用混连PID串联结构。

针对各PID控制器做出解释：

行进环

PID_k1：底盘位移（ecd）

该PID控制器用于维持平衡车底盘的位移在一个稳定的位置，使其保持在目标位置。

P部分：根据底盘位移的当前偏离值来计算控制输出，使位移回到期望值。

D部分：用于控制位移变化速度，以避免过冲或震荡。

PID_k2：底盘速度(speed)

该PID控制器用于控制底盘的速度，以实现平衡车的前进运动，同时避免速度变化过快。

P部分：根据底盘速度的当前偏离值来计算控制输出，以控制速度。

D部分：用于减小速度变化的速度，以防止过冲或震荡。

平衡环

PID_k3：底盘倾角(ecd)

该PID控制器用于维持平衡车底盘的倾角在一个稳定的位置，使其保持直立

P部分：根据底盘倾角的当前偏离值来计算控制输出，使倾角回到期望值。

D部分：用于控制倾角的变化速度，以避免过冲或震荡。

PID_k4：底盘倾斜角速度(speed)

该PID控制器用于控制底盘的倾斜角速度，以防止底盘倾角速度过快，导致失去平衡。

P部分：根据底盘倾斜角速度的当前偏离值来计算控制输出，以控制倾斜速度。

D部分：用于减小倾斜速度的变化，以防止过冲或震荡。

转向环

PID_k5：底盘旋转偏角

该PID控制器用于维持平衡车底盘的旋转偏角在一个稳定的位置，使其保持在期望的方向。

P部分：根据底盘旋转偏角的当前偏离值来计算控制输出，使偏角回到期望值。

I部分：用于处理积分误差，消除长期的静态偏角误差。

D部分：用于控制偏角的变化速度，以避免过冲或震荡。

PID_k6- 速度控制器，其期望值来自PID_k5：

该PID控制器用于控制底盘的旋转速度，其期望值由前一个PID控制器PID_k5的输出提供，以实现方向控制。

P部分：根据底盘旋转速度的当前偏离值来计算控制输出，以控制旋转速度。

I部分：用于处理积分误差，以防止长期的速度误差。

D部分：用于减小速度变化的速度，以防止过冲或震荡。

针对上面的解释，就可以根据每个PID控制器所会影响的结果进行调参，根据调试的情况判断是否调试正确，更方便盲调。

调试过程

调试顺序

直立环调试过程

1. 调试理想状态是在水平地面上在受力后仍可以直立不倒，且车体不会抖动。
2. 调试的过程中会向前倾，原因是没有加行进环，他会向前倾倒，为了保持平衡他也要顺势往前给力，所以会出现向前动。
3. 需要手扶着

先调试底盘倾角PID，目的是为了保证他立住保持平衡

1. 先加P，调至大幅度低频摇摆但不倒下（手扶着）
2. 再加D，调至反复摇摆频率较快，但是摇摆角度没有只加P的时候那么大。

再调试倾角速度PID，目的是为了保证他不会大幅度向前向后倾倒

1. 先加P，调至倾角没有那么明显
2. 再加D，调至倾斜速度反应快些（相较于没加D）只要不抖 就往上加D

调完直立环效果：

行进环调试过程

调试过程中没有明确需要调到什么样子，理论上来讲踢走但是可以返回（加了里程计），但是在调试过程中效果始终没有那么好。

1. 位移在一个稳定的位置，使其保持在目标位置

2. 前进保持平稳，停下快速返回平衡状态

在调试过程中由于没有加转向环，所以在静止状态下或者急停前进，方向会变化属于正常现象

先调试底盘的位移PID，目的是为了保持在目标位置不会乱动

1. 这里说明一下，目标状态（肉眼）看很难看出来什么效果，都是凭感觉调试，但是需要注意的点是使用Kd，Kp；并且Kd加的很大，才可以消除位置误差使他保持原地不动。

2. 先加P：P加的小，平步就软，容易推动，P加大到可以感受到明显阻力即可（要水平推，不要从上往下给力），静止状态下推动，平步有抖动并且会来回移动。

3. 再加D：加大D以消除平步来回移动，直到推动或者运动状态下可以快速回正，我这里给的是P的40倍（这里很大，也是不断测试加上去的）

4. 没有加I，因为效果不明显

    

    

再调试前进运动PID，目的是为了在移动过程中保持平衡且能快速回正

1. 先加P：调至前进可以保持平衡状态即可，加大的效果与0时的效果区别比较明显，前进更加稳定。过大会轻微反复摇摆。

2. 加I：P与I是200倍关系。

3. 没有加D，加D会抖

4. 调完行进环效果

转向环调试过程

串级PID调试流程，这里不做调试过程叙述（按流程调试，个人感觉串级PID不好调）。

四、参考内容

三天让车立起来！STM32平衡车入门PID —— 第三天（PID调参）_平衡车pid-CSDN博客

【平衡小车PID】直立环+速度环完整调参过程 (开源)_哔哩哔哩_bilibili

五、总结

平衡底盘重点可以分两大部分，一部分属于底层控制及获取数据正确，另一部分就是PID算法控制及参数调节，后部分属于非常耗时间且折磨的。根据内容其实也能看出来是RoboMaster的平衡步兵，希望写的文章内容能对其他人（RMer）有帮助。