平衡车里pid和mpu6050姿态角之间的关系

Question

我想问问，现在我想要做一个平衡车，我知道了由mpu6050dmp得知的pitch、roll、yaw角度，这个角度和pid串级之间有什么关系呢，代码要怎么写，我自己知道各自之间的关系，他们两者怎么联系起来？还有速度环、直立环，机械中值，这些又怎么看，怎么联系起来（基于标准库）

Answer 1

让【宝码香车】来帮你解答，本回答参考DeepSeek编写，并整理提供。

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平衡车PID控制与MPU6050姿态角的关系

基本原理

在平衡车系统中，MPU6050提供的姿态角(特别是pitch角)与PID控制密切相关：

1. 直立环：使用MPU6050的pitch角作为反馈量，通过PID控制保持车身直立
2. 速度环：通过编码器获取电机转速作为反馈量，通过PID控制维持期望速度
3. 转向环：使用yaw角或直接通过左右轮差速实现转向控制

控制关系

代码实现框架(基于STM32标准库)

// PID结构体定义
typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float error, last_error;
    float integral, derivative;
    float output;
} PID;


// 初始化PID控制器
void PID_Init(PID* pid, float Kp, float Ki, float Kd) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->error = pid->last_error = 0;
    pid->integral = pid->derivative = 0;
    pid->output = 0;
}


// PID计算
float PID_Calculate(PID* pid, float setpoint, float feedback) {
    pid->error = setpoint - feedback;
    pid->integral += pid->error;
    pid->derivative = pid->error - pid->last_error;
    
    pid->output = pid->Kp * pid->error + 
                 pid->Ki * pid->integral + 
                 pid->Kd * pid->derivative;
    
    pid->last_error = pid->error;
    return pid->output;
}


// 主控制循环
void Balance_Control(void) {
    // 初始化PID控制器
    PID angle_pid, speed_pid;
    PID_Init(&angle_pid, 10.0, 0.0, 0.5);  // 直立环参数
    PID_Init(&speed_pid, 1.0, 0.01, 0.0);  // 速度环参数
    
    float target_angle = 0.0;  // 目标平衡角度(机械中值)
    float target_speed = 0.0;  // 目标速度
    
    while(1) {
        // 1. 读取MPU6050数据
        MPU6050_GetData(&pitch, &roll, &yaw);
        
        // 2. 读取编码器速度
        int16_t left_speed = Encoder_GetSpeed(LEFT_MOTOR);
        int16_t right_speed = Encoder_GetSpeed(RIGHT_MOTOR);
        float current_speed = (left_speed + right_speed) / 2.0;
        
        // 3. 速度环PID计算
        float speed_output = PID_Calculate(&speed_pid, target_speed, current_speed);
        
        // 4. 直立环PID计算(将速度环输出作为角度补偿)
        float angle_output = PID_Calculate(&angle_pid, target_angle + speed_output, pitch);
        
        // 5. 电机控制
        Motor_SetPWM(LEFT_MOTOR, angle_output);
        Motor_SetPWM(RIGHT_MOTOR, angle_output);
        
        // 延时或等待下一次控制周期
        delay_ms(5);
    }
}

关键概念解释

1. 机械中值：平衡车静止平衡时的角度，需要通过实验测定
2. 串级PID：
   • 外环(速度环)输出作为内环(直立环)的输入补偿
   • 直立环优先级高于速度环
3. 参数整定顺序：
   • 先调直立环(Kp使车能站住，Kd消除抖动)
   • 再调速度环(Ki消除静态误差)
   • 最后调转向环

调试建议

1. 先用示波器或串口绘图观察姿态角变化
2. 单独调试直立环，确保车能基本保持平衡
3. 加入速度环时，初始参数要小，避免干扰直立环
4. 机械中值需要实际测量，不同安装方式值不同

扩展建议

通过这种分层调试方法，可以逐步构建稳定的平衡车控制系统。