STM32平衡车PID的疑问

Question

为什么平衡车串级pid的速度环输出要作为直立环角度输入？如果不用串级，直接直立环和速度环相加有什么区别？

Answer 1

不知道你这个问题是否已经解决, 如果还没有解决的话:

• 关于该问题，我找了一篇非常好的博客，你可以看看是否有帮助，链接：STM32单片机PID闭环精确控制直流电机位置（角度）
• 除此之外, 这篇博客: 【嵌入式设计】【炒鸡详细】STM32单片机控制机器人程序设计框架解读（不定时更新）中的 3.3 使用PID算法对车轮进行速度调节（一般采用的方法，但会抖动） 部分也许能够解决你的问题, 你可以仔细阅读以下内容或者直接跳转源博客中阅读:
  

   

      很多工程控制都会用到PID，PID的思路很简单，假设我们开车，想把车维持在60km/s的速度上，那么车速如果只有十几而且不加速，那么了我们就要往死里踩油门，当车子嗖一下子窜出去了，我们就得松油门；如果车速是58，59的样子，那么我们就轻轻，或者几乎不踩油门。如果速度是65，那么我们就松开油门，如果速度是120，那么我们就得猛踩刹车。

      这就是PID算法中的P因子。我们控制车速，参考的就是当前的速度和目标速度，如果这两个速度差的很大，那么我们就多给点儿油速度小，我们就少给点儿油。我们踩油门的程度就大致符合：

      油门=（目标车速-当前车速）X一个固定的力道（Propotion）

      这就是PID控制中的P（Percentage）。使用这种方式控制轮子的方式可以称作P算法，现在我们把它实现一下：

      

      在这个程序里，与P值的代码就三句（红框），第一句：计算当前速度与目标速度的差值；第二句：差值乘上一个比例因子；第三句，返回这个结果。这个程序有三个输入，分别为当前速度，目标速度以及最大油门。返回值就是基于当前速度和目标速度计算出的油门数值。

      但是在生活中我遇到过这样一个问题：我有一辆小摩托，在我启动小摩托后，为了达到我想要的速度，我肯定是给足了油门，但是此时我的小摩托嗖一下就窜出去了（有一个很大的加速度），骑鬼火的社会人比较喜欢这种加速感，但生活不是鬼火，毕竟车头一翘阎王爷笑。当我发现我的小鬼火要翘头，我得赶快把油门松开。

      此时我速度还没达到目标速度，油门还得捏着（P比例因子告诉我要捏住油门），但是因为我不能加速太快了，所以我还得松点儿油门。此时在P因子外，又有一种因子影响了油门，它就是：

       微分比例因子（Derivative）

      P因子和D因子在一起就构成了PD算法：

      油门=P*（目标速度-当前速度）+D*(当前速度-上一时刻的速度)

      参考了D值，刚刚的算法我们可以改为：

      

      PID算法中，我们已经掌握了P因子和D因子，当然，这这样可能会导致另一个问题：我上一秒的速度是0，因为加速太快导致第二秒的速度一下子升高到了59km/h，按照常理，按照P因子作用，我此时应该不踩油门了（因为目标速度-当前速度≈0），但是由于D因子的存在（D因子发现我加速太快了），我会猛踩刹车。最后结果就是我速度到59了，踩刹车，速度下降，加速，又踩刹车；这样也会达到目标速度，但是这种加速是非常不稳定的。

      所以，我们综合了微分，积分与比例因子，构建了完整的PID函数：

      

• 以下回答来自chatgpt:

  问题背景：

  本题所描述的是关于STM32平衡车控制的问题。STM32平衡车是一种结合了机械工程与电子技术的产物，通过对平衡车的角度、速度等参数进行测量与控制，使车辆具有类似人类平衡的能力，能够在平衡状态下运动。其中使用到的技术术语有：PID控制器、直立环、速度环、串级PID等。

  PID控制器是一种用于控制系统的基本控制器，其在工业自动化以及机器人控制等领域得到广泛应用。PID控制器包含P项、I项、D项三个参数，通过对系统的反馈信号进行处理得到控制量并且调整输出信号。

  直立环是一种控制算法，其目的是使小车始终保持平衡状态。直立环通过控制电机转速来达到角度始终在机械中值位置。

  速度环是一种用于控制电机转速的控制器，其目的是让电机转速趋近于0。

  串级PID是一种控制系统，其将PID控制器按照层级进行连接，以实现更为精准的控制效果。

  关于STM32平衡车的控制，需要测量车体的倾角并进行负反馈控制。控制流程中包含了角度计算、滤波器选择、PID计算等步骤。其中，角度计算通过对车体高度、质量、加速度等因素的计算得到倾角；滤波器选择用于减小噪声干扰，提高系统稳定性；PID计算通过控制电机转速来达到平衡控制的目的。

  解决方案：

  根据问题的背景和参考资料，提出以下解决方案：

  1.角度计算

  对于角度计算，需要通过车体高度、质量、加速度等因素的计算得到倾角。具体步骤如下：

  a.测量车体高度L和质量m

  b.测量当前车辆的加速度A_Z和零点偏差AZ_ZERO，然后进行处理得到车辆的加速度angle_Accel

  c.根据加速度angle_Accel求出倾斜角度angle_Accel

  d.通过陀螺仪测量出当前的角速度Gyro_Now

  e.最后，将angle_Accel和Gyro_Now代入滤波器进行处理，得到最终的倾角值angle_now

  2.直立环PID参数整定

  直立环PID参数整定包括了Kp、Kd的调节及确定。具体步骤如下：

  a.预设一个Kp值，并且与满占空比对应的ARR值进行比较，选择合适的Kp值；

  b.观察小车的车轮转向，若和倾斜方向相同说明极性相同否则极性不同；

  c.逐步增大Kp，在满足小车不出现低频振荡的前提下，调节Kp的大小，最终确定Kp的值；

  d.通过调节Kd的值来消除振荡，同时保持Kd的极性与Kp相同；

  e.最后根据工程经验，将Kp、Ki都乘以0.6进行调整。

  3.滤波器选择

  滤波器选择的目的在于减小噪声干扰，提高系统稳定性。常用的滤波器有清华角度计算滤波器、一阶滤波器、二阶滤波器和卡尔曼滤波器等。具体步骤如下：

  a.根据实际的情况选择需要的滤波器；

  b.使用所选定的滤波器对角度计算的结果进行处理。

  4.PID控制计算

  PID控制计算是整个平衡车控制系统的核心部分。具体步骤如下：

  a.根据预设的目标和实际测量到的倾角计算出误差量error；

  b.根据P项和D项，通过控制电机转速来达到角度始终在机械中值位置的目的；

  c.进行微分项的限幅，保证系统稳定性；

  d.将P项和D项的结果加和得到最终的控制量AngleControlOut。

  总之，完整的STM32平衡车控制流程包括了角度计算、滤波器选择、PID计算等多个步骤。在设计的过程中需要考虑到各个步骤之间的协调性，使整个系统达到稳定可靠的效果。

如果你已经解决了该问题, 非常希望你能够分享一下解决方案, 写成博客, 将相关链接放在评论区, 以帮助更多的人 ^-^