角度环中是怎么把 偏航角转化成电机 速度输出的

Question

最近在做24年电赛H题，想要小车走直线，正在调角度环，但不知道怎么把角度偏航角偏差转化成电机速度输出

Answer 1

上午好☀️☀️☀️️
本答案参考通义千问

在角度环控制中，将偏航角偏差（即当前方向与目标方向的差值）转化为电机速度输出，是实现小车直线行驶的关键。这个过程通常涉及一个PID控制器，它根据偏差计算出需要调整的速度差，从而驱动左右电机以保持小车沿直线行驶。

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一、核心思路

关键点：

• 偏航角偏差 = 目标方向 - 当前方向
• 电机速度输出 = PID控制器根据偏差计算出的控制量
• 控制量通过调节左右电机的速度差，使小车恢复到目标方向

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二、详细流程

1. 获取偏航角信息

   • 使用IMU（如MPU6050）或视觉系统获取当前小车的偏航角（Yaw Angle）
   • 将其转换为与目标方向比较的偏差值（例如：error = target_angle - current_angle）

2. 设计PID控制器

   • PID控制器根据误差计算出一个控制量（control_output），用于调整电机速度
   • 公式如下：

     control_output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative
     

3. 将控制量转化为电机速度差

   • 根据控制量，计算出左右电机的速度差
   • 如果 control_output > 0，表示需要右转（左轮快于右轮）
   • 如果 control_output < 0，表示需要左转（右轮快于左轮）

4. 设置电机速度

   • 将左右电机的速度设置为基准速度 ± 速度差
   • 例如：

     left_speed = base_speed - control_output
     right_speed = base_speed + control_output
     

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三、代码示例（基于Arduino）

// 定义PID参数
float Kp = 0.5;
float Ki = 0.1;
float Kd = 0.05;

// 偏航角变量
float current_yaw = 0;    // 当前偏航角
float target_yaw = 0;     // 目标偏航角
float error = 0;          // 偏差
float prev_error = 0;     // 上一次误差
float integral = 0;       // 积分项
float derivative = 0;     // 微分项
float control_output = 0; // 控制量

// 电机速度变量
int base_speed = 150;     // 基础速度
int left_speed, right_speed;

void setup() {
  // 初始化串口等
}

void loop() {
  // 获取当前偏航角（假设从IMU读取）
  current_yaw = get_current_yaw();

  // 计算误差
  error = target_yaw - current_yaw;

  // 计算积分和微分项
  integral += error;
  derivative = error - prev_error;

  // PID控制
  control_output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;

  // 限制控制量范围
  if (control_output > 100) control_output = 100;
  if (control_output < -100) control_output = -100;

  // 转化为左右电机速度
  left_speed = base_speed - control_output;
  right_speed = base_speed + control_output;

  // 设置电机速度（假设使用PWM控制）
  set_motor_speed(left_speed, right_speed);

  // 更新上一次误差
  prev_error = error;

  delay(10); // 控制循环频率
}

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四、重点说明（加粗部分）

• 偏航角偏差 是整个角度环的核心输入。
• PID控制器 是将偏差转化为控制量的关键组件。
• 控制量 需要被合理地映射到左右电机的速度差，这是实现直线行驶的关键。
• 速度差的正负 决定了小车是向左还是向右转。

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五、调参建议（优化角度环）

1. Kp（比例系数）：增大可加快响应，但容易震荡；减小则响应慢。
2. Ki（积分系数）：消除稳态误差，但过大会导致超调。
3. Kd（微分系数）：抑制振荡，提高稳定性，但对噪声敏感。

建议先调Kp，再逐步加入Ki和Kd。

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六、总结

| 步骤 | 说明 | |------|------| | 1 | 获取当前偏航角 | | 2 | 计算偏航角偏差 | | 3 | 使用PID控制器生成控制量 | | 4 | 根据控制量调整左右电机速度 | | 5 | 输出电机速度，实现方向控制 |

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如果你能提供具体的硬件平台（如Arduino、STM32、树莓派等）或使用的传感器类型（如MPU6050、AHRS模块等），我可以给出更详细的代码和调试建议。