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。它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝調(diào)試、控制簡單、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、直流電機(jī)、控制電路等

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

信號：pwm信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5ms（周期為20ms），相對應(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。

比如這里有一個簡單的電路：

我們以5s為一個周期，在每一個5s內(nèi)，前3s開關(guān)打開，后2s開關(guān)閉合，則ab端電壓將會這樣變化：

（對電路元件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。）

（在這個例子中，輸入信號脈沖寬度為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)的時間與總時間的比

例如，在成語中有句話：「三天打漁，兩天曬網(wǎng)」，如果以三天為一個周期，“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。）

因為感覺這個成語說得很對，就拿來它做例子，根據(jù)這個成語，大家也應(yīng)該懂占空比的意思了（所以上圖簡單的電路，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為積分時間參數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

各個參數(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，但同時要延長系統(tǒng)消除靜差的時間．積分時間常數(shù)太小會降低系統(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是一種對控制量的增量進(jìn)行PID控制的一種控制算法。

公式：

（說明：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，即此時的占空比為50%）。對應(yīng)的速度為100r/s。

程序發(fā)出一個命令，要求pwm輸出為0，即要求停車。（可能有人有疑問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，小車會在一段時間后才停下。）

這時，我們可以采用PID控制的方法來實現(xiàn)。

我們在程序中定義幾個變量：

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，加號是增量式PID的體現(xiàn)。我們對增量（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)運行第一次的時候，輸出的pwm為：

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

增量式PID的優(yōu)缺點：

優(yōu)：

①算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；

②計算機(jī)每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；

③手動—自動切換時沖擊小。當(dāng)控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。

缺：需要對控制量進(jìn)行記憶。

2.位置式PID

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

公式：

舉個例子，位置式PID可以應(yīng)用在舵機(jī)上。因為舵機(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)到某個角度。

假設(shè)舵機(jī)pwm輸出1000時舵盤轉(zhuǎn)軸為90°，pwm輸出0時舵盤轉(zhuǎn)軸為0°，pwm輸出2000時舵盤轉(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，即對偏差求和。我們當(dāng)時試驗小車的舵機(jī)控制時發(fā)現(xiàn)I值可以省略，PD控制足矣。當(dāng)然，具體需不需要I項要在實際中進(jìn)行分析驗證）。

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)傳感器反饋過來的偏移距離用PID計算出給舵機(jī)的脈寬，這樣就會使小車的偏移距離為0。在飛思卡爾智能車項目里面，我們就會用到PID算法，比如車爬坡和平底連續(xù)拐彎時。

PID算法的應(yīng)用基礎(chǔ)最開始是對PCB板上的運放的PID參數(shù)就行調(diào)校。P對應(yīng)于運放增益；I是運放輸入和輸出端之間接一個電容引入反饋，就是控制器的輸出和輸入誤差會累積起來影響輸出；D就是運放輸入端串接一個電容，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。因為位置式PID的輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e（每一次的控制誤差）進(jìn)行累加，這個計算量非常大，而且沒有必要。而且小車的PID控制器的輸出并不是絕對數(shù)值，而是要一個△，代表增多少，減多少。通過增量PID算法，每次輸出是PWM要增加多少或者減少多少，而不是PWM的實際值。