舵機概要

小車轉向的控制機構。也就是控制小車的轉向。它的特點是結構緊湊、易安裝調試、控制簡單、大扭力、成本較低等。舵機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。在機器人的控制系統中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機能夠在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出值得單片機系統很容易與之接口。

舵機組成和工作原理

組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路等

工作原理：控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→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），相對應的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。

pwm波脈沖寬度與舵機轉角角度的關系：

也就是不同脈沖寬度的pwm波，舵機將輸出不同的軸轉角。所以要控制小車的轉角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

PWM：脈沖寬度調制

原理：對電路元件的通斷進行控制，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，前3s開關打開，后2s開關閉合，則ab端電壓將會這樣變化：

（對電路元件的通斷進行控制，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。）

重復一下：所以要控制小車的轉角，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：在周期型的現象中，某種現象發生后持續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」，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，根據這個成語，大家也應該懂占空比的意思了（所以上圖簡單的電路，它的占空比應該是3/5）。

PID控制：一種調節器控制規律為比例、積分、微分的控制。其中：P：比例（proportion）、I：積分（integral）、D：導數（derivative）

式子中Kp為比例系數，Ti為積分時間參數，Td為微分時間常數。

各個參數的意義作用：

Kp：比例系數。一般增大比例系數，將加快系統的響應。

Ti：積分時間常數。一般地，積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯合使用，構成PI或PID控制．增大積分時間常數（積分變弱）有利于小超調，減小振蕩，使系統更穩定，但同時要延長系統消除靜差的時間．積分時間常數太小會降低系統的穩定性，增大系統的振蕩次數．

Td：微分時間常數。一般微分控制和比例控制和比例積分控制聯合使用，組成PD或PID控制，微分控制可改善系統的動態特性。

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行PID控制的一種控制算法。

公式：

（說明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，e數組-》error數組，

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可以應用在電機上。

假設當前電機PID的pwm值為5000（精度為10000，即此時的占空比為50%）。對應的速度為100r/s。

程序發出一個命令，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。

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。我們對增量（即右邊的式子）進行PID控制。

error_pre_pre=error_pre;

error_pre=error;

}

當函數運行第一次的時候，輸出的pwm為：

電機給了一個反轉的力，小車前進受到了阻力，于是可以很快的停下來了。

增量式PID的優缺點：

優：

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，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；

②計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；

③手動—自動切換時沖擊小。當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不需要對控制量進行記憶，直接對偏差值進行計算得出期望的pwm。

公式：

舉個例子，位置式PID可以應用在舵機上。因為舵機本次的pwm輸出值與上次pwm輸出值關系不太，舵機需要的是快速轉到某個角度。

假設舵機pwm輸出1000時舵盤轉軸為90°，pwm輸出0時舵盤轉軸為0°，pwm輸出2000時舵盤轉軸為180°。

現在舵機pwm輸出為1500，我們要讓舵盤轉到最中間。

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。我們當時試驗小車的舵機控制時發現I值可以省略，PD控制足矣。當然，具體需不需要I項要在實際中進行分析驗證）。

代碼：

其他：

反饋系統：

舵機用PID控制是使小車保持在賽道中央，即偏移距離為0.根據傳感器反饋過來的偏移距離用PID計算出給舵機的脈寬，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拐彎時。

PID算法的應用基礎最開始是對PCB板上的運放的PID參數就行調校。P對應于運放增益；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，結合示波器來觀察控制電機的PID參數設定。

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有關，計算時要對e（每一次的控制誤差）進行累加，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。