智能車(chē)速度控制pid(電機閉環(huán)控制算法)

智能車(chē)電機閉環(huán)控制算法

對于智能車(chē)的電機閉環(huán)控制算法，我之所以標題沒(méi)有寫(xiě)上“智能車(chē)電機PID

閉環(huán)控制算法”是因為PID 算法根本就不是特別好的適用于智能車(chē)這種變化很

快的系統，對于智能車(chē)，電機的調速可以說(shuō)是時(shí)時(shí)刻刻再進(jìn)行調速控制的，我

上面說(shuō)描述的經(jīng)典PID 算法，都是針對一些惰性系統，也就是說(shuō)是變化比較慢

的系統的，所以對于智能車(chē)的電機調速采用完完整整的PID 算法，是根本不可

取的，及時(shí)采用了，你必須要經(jīng)過(guò)一些變換和改進(jìn)才能使用。以上的簡(jiǎn)述只是

鄙人自己的看法，如有錯誤，請各位高手指正。

現在估計您會(huì )疑問(wèn)，PID 不適用于智能車(chē)的電機控制，那什么才適用呢？

鄙人原來(lái)做過(guò)智能車(chē)，從鄙人本身的理解，P 算法控制電機，也就是比例控制

是最好的，反應速度快，控制精度高，不存在積分和微分效應，非常適用于適

用于控制周期短的系統，當然，對于一些特殊的邏輯控制算法，可能要采用PD

算法，用微分來(lái)做補償，防止震蕩和超調。

下面來(lái)說(shuō)下電機控制算法從開(kāi)始的加入到最終的確定的方法：

當然這一切的前提就是安裝了編碼器，車(chē)速有反饋，只有加上編碼器，有

了反饋，才能組成一個(gè)閉環(huán)系統。當然您也可以加上碼盤(pán)，或者霍爾開(kāi)關(guān)等一

切可以返回車(chē)速的東西都可以。

（1） 首先建議在車(chē)速比較慢的時(shí)候，采用PID 算法來(lái)控制電機，為

什么開(kāi)始要建議您采用PID 呢？主要是為了讓您更加深刻理解

PID 算法的精髓和調試步驟方法等，有助于以后對控制算法更加

深入的研究和書(shū)寫(xiě)。調試PID 三個(gè)參數的方法，很多地方都提

供了，我在這里簡(jiǎn)單的說(shuō)下：首先將ID 參數都變?yōu)?，先調整

P 比例參數，調整到速度基本上跟您給定的速度差不多，也就是

說(shuō)基本穩定在您給定的脈沖數，當然這個(gè)時(shí)候會(huì )非常的震蕩，

不要擔心，接下來(lái)調整I，調整I 的結果就是震蕩會(huì )消除很多，

但是車(chē)速會(huì )變化緩慢，也就是說(shuō)會(huì )有一些延遲，然后再調整D，

調整D 的結果就是增強調節的靈活性和預見(jiàn)性，在給定速度變

化的過(guò)程中，能夠以一個(gè)平穩過(guò)渡來(lái)變換，而且速度可以長(cháng)時(shí)

間穩定在給定速度附近，然后PID 三個(gè)參數的基本范圍就確定

了，然后再根據實(shí)際的跑車(chē)來(lái)微調這些參數，當然在您調試PID

之前，請仔細閱讀PID 理論知識，這樣有助于您的調試和理解，

當您把PID 調整好以后，您就基本上領(lǐng)會(huì )了PID 的精髓，對于

以后的調試作用非常大。這里的給定速度，就相當于上面對溫

度例子中說(shuō)的設定溫度。意思是一樣一樣的。

（2） 當您對PID 掌握以后，您能做到給定多少速度，就能讓車(chē)速穩

定在這個(gè)給定速度左右，可以適當的提高點(diǎn)車(chē)速，慢慢的觀(guān)察

效果，你會(huì )發(fā)現當速度增加的時(shí)候，車(chē)速的控制會(huì )變得越來(lái)越

糟糕，調節緩慢，靈活性差。這個(gè)時(shí)候您就可以試著(zhù)去掉I 積分

環(huán)節，然后再重新調整參數，按照上面說(shuō)的，然后繼續觀(guān)察效

果，試著(zhù)提高速度，繼續觀(guān)察，因為車(chē)速畢竟很慢，很多細節

我們都能看到，所以您就可以看到PID 到PD 變換以后，實(shí)際的

效果是增加多少，也算是一種進(jìn)步，這個(gè)時(shí)候，經(jīng)典的PID 公

式已經(jīng)被我們簡(jiǎn)化，不要擔心，您可以多多實(shí)驗多多觀(guān)察，可

能在這個(gè)變換之間，您能受到很多啟發(fā)，會(huì )產(chǎn)生很多思路，誰(shuí)

以后的調試車(chē)子都是有好處的。所以搞智能車(chē)，自己一步

一步的進(jìn)步學(xué)習，遠遠比去某些淘寶店鋪購買(mǎi)現成的程序學(xué)到

的東西更多，體會(huì )的也更多，思維開(kāi)闊的也更多。

（3） 在您的車(chē)速在3M 內的時(shí)候，我強烈建議您采用PD 算法，因為

PD 算法是最好調整，最容易控制的。當然這個(gè)時(shí)候我也強烈建

議您加上P 控制，P 控制的話(huà)，不是說(shuō)就單純的P*偏差然后得

到的值給定PWM，而是一定要加上一些邏輯控制，不加上邏輯

控制而是直接運用比例公式來(lái)給定PWM 值，將會(huì )帶來(lái)很多問(wèn)

題，具體的邏輯控制講解，在以后我會(huì )寫(xiě)出相關(guān)的文檔，謝謝。

采用增量式編碼器為反饋的智能車(chē)電機閉環(huán)調速系統：

其實(shí)借助于我上面舉得例子，到這里，您可能已經(jīng)明白對于智能車(chē)來(lái)

說(shuō)閉環(huán)系統是一個(gè)必須的，不可脫離的。當然，您可能已經(jīng)完全明白智能

車(chē)電機閉環(huán)調速系統怎么做，并且您可能也做的更好，要比我在這里所說(shuō)

的更加的先進(jìn)更加的有創(chuàng )意更加的有效果。所以在這里我只是簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)，

謝謝。

首先，我們需要時(shí)刻反饋當前的智能車(chē)速度給單片機或者 ARM，讓

系統知道當前速度，有助于控制。

我們先說(shuō)說(shuō)為什么我們要反饋車(chē)子速度，要知道車(chē)子當前的速度？因

為我們的CPU 利用傳感器采集道路信息，通過(guò)CPU 收集和處理變化，系

統就能知道車(chē)子當前的狀態(tài)，比如是在直到上？還是在進(jìn)入彎道？還是在

彎道內？還是正在出彎道？還是在上坡？還是穿過(guò)了起跑線(xiàn)？有了這些信

息，我們首先就是對舵機的控制，控制車(chē)子根據什么道路情況來(lái)進(jìn)行轉彎，

轉彎的方向，大小，都是靠這些數據來(lái)實(shí)現，當然當前的速度值也是控制

舵機轉向大小的一個(gè)附加因素，這樣更加的有利于我們及時(shí)處理不同彎道。

知道了這些信息，就跟我們開(kāi)車(chē)一樣，我們要轉彎了，得感知我們車(chē)的速

度，怎么感知啊，就靠汽車(chē)自帶的速度表，這樣我們就可以通過(guò)控制剎車(chē)

或者油門(mén)還有方向盤(pán)來(lái)控制車(chē)子平穩的轉過(guò)彎道，不同的彎道，不同的速

度，轉彎的控制和剎車(chē)的控制都是不同的。如果我們不知道當前的速度，

那么很可能因為拐彎速度過(guò)快，導致翻車(chē)，或者側滑，造成危險。智能車(chē)

情況跟真車(chē)是一樣的，我們必須知道車(chē)子當前速度，比如我們智能車(chē)拐彎

安全速度是3M/S，所謂安全速度就是車(chē)子順利安全且沒(méi)有較大側滑過(guò)彎時(shí)

的速度，在進(jìn)入彎道前我們車(chē)子的速度是4M/S，當傳感器感知要進(jìn)入彎道

了，通過(guò)跟安全速度對比，我們發(fā)現智能車(chē)的速度遠大于安全彎道速度，

這個(gè)時(shí)候我們就要剎車(chē)，把車(chē)子速度快速降低到3M/S，這樣保證我們順利

快速的過(guò)彎。在這里您可能問(wèn)3M/S 的安全速度怎么來(lái)？其實(shí)很簡(jiǎn)單這個(gè)

速度是靠實(shí)驗來(lái)的，不用什么計算，完全屬于經(jīng)驗值，根據跑道的材料、

車(chē)子機械性能和彎道的角度來(lái)決定，所以為什么我們要比賽的時(shí)候要試車(chē)，

試車(chē)中一個(gè)最重要的環(huán)節就是熟悉比賽跑道所用的材料，用于我們實(shí)驗車(chē)

子的安全速度等。

對于智能車(chē)的速度反饋，在這里我就針對增量式編碼器來(lái)說(shuō)，其實(shí)碼

盤(pán)啊，霍爾啊，他們原理都一樣。光電增量式編碼器不同于絕對值編碼器，

絕對值編碼器在編碼器轉動(dòng)一周的每個(gè)特定位置都有一個(gè)確定的值輸出，

增量式編碼器轉動(dòng)一圈，固定輸出一定的脈沖，無(wú)法確定轉動(dòng)到哪個(gè)位置，

對外輸出一般為方波，這樣有助于MCU 進(jìn)行數據采集。

有了編碼器，我們通過(guò)齒輪、皮帶等將編碼器跟電機或者傳動(dòng)輪進(jìn)行

連接，這樣電機轉動(dòng)的時(shí)候，就會(huì )帶動(dòng)編碼器轉動(dòng)，然后編碼器就能向外

輸出方波，接到單片機上，我們就能進(jìn)行采集編碼器脈沖了。有了脈沖，

可能您又要問(wèn)這個(gè)脈沖沒(méi)有規律性，隨著(zhù)轉動(dòng)不停的增加，到底怎么來(lái)衡

量速度？您這個(gè)時(shí)候啊，動(dòng)動(dòng)手，觀(guān)察觀(guān)察數據特點(diǎn)，您會(huì )發(fā)現，當車(chē)速

度比較快的時(shí)候啊，脈沖數自增的速度比較快，也就是說(shuō)，轉速越快，頻

率越高，單位時(shí)間內的脈沖數就越多，這樣立刻有了靈感，我們用定時(shí)器

設置一個(gè)中斷，這個(gè)中斷的時(shí)間為5MS，那么每5MS 我們就采集編碼器

一次脈沖值，當采集完畢后，我們就對脈沖數寄存器清零，這樣在5MS

內，得到的脈沖數越多，說(shuō)明車(chē)子速度越快，到這里車(chē)速就解決了。到這

里您可能會(huì )說(shuō)：還沒(méi)完呢，還沒(méi)轉換為速度呢？要把這個(gè)脈沖根據距離和

時(shí)間轉換為具體的XX 米/秒的速度。您的這個(gè)想法很好，但是真的是沒(méi)

有必要，我們根本沒(méi)有必要浪費時(shí)間去計算這個(gè)，因為我們本來(lái)就是想知

道速度，脈沖數的多少已經(jīng)就能衡量速度大小了，我們何必要很麻煩的轉

換為具體速度？ 一定時(shí)間內的脈沖數已經(jīng)夠了，夠我們底層硬件進(jìn)行判斷

計算了。既然我們反饋的數據類(lèi)型為脈沖數，所以我們所給定的速度也對

應的到脈沖數，比如50 個(gè)脈沖代表速度3M/S，80 個(gè)代表4M/S 的速度，

這樣通過(guò)道路類(lèi)型給定脈沖數，就能實(shí)現電機的閉環(huán)控制了，是不是很簡(jiǎn)

單？到這里我知道又有人會(huì )疑問(wèn)，50 個(gè)脈沖對應3M/S，80 個(gè)脈沖對應4M/S

是怎么得到的？其實(shí)這個(gè)更簡(jiǎn)單，很多人做智能車(chē)容易把簡(jiǎn)單問(wèn)題復雜化，

其實(shí)很多問(wèn)題都可以用幾行程序解決，比如那個(gè)坡道，很多人用了很多復

雜方法解決，比如加一個(gè)開(kāi)關(guān)啊，加個(gè)加速度啊，加個(gè)陀螺儀啊，根本沒(méi)

有必要，程序幾行就搞定了。具體的脈沖對應速度，您固定給定一個(gè)脈沖

讓車(chē)子跑跑到一圈，然后記下時(shí)間，跑道實(shí)際長(cháng)度除以時(shí)間，就是對應速

度，你只是需要大概知道對應就行了，不用一個(gè)一個(gè)實(shí)驗，具體的X 米/

秒是宏觀(guān)上我們感知的，跟單片機沒(méi)有任何關(guān)系。