最近为了丰富项目经历，复刻了一些开源的平衡车项目。这里先简单说一些外设上的东西，方便大家有一个大概的印象。

我做的这个平衡车项目主要包括：

主控芯片STM32（这个不用多说了）

电机驱动模块（将单片机输出的PWM波形输出给电机驱动、电机驱动再控制电机转速）

MPU6050（负责检测平衡车姿态，可以测角度、角加速度，前后左右上下都能检测到）

0.96寸OLED（这个不用多说，就是显示东西的）

蓝牙模块（其实就是用来串口USART通讯和手机进行联系，方便控制小车运行）

超声波模块（用于测量距离，可以加到平衡车里面实现避障功能）

电机（带编码器，方便单片机测量转速）

然后其他的硬件电源、电源转换啥的我都不说了，大家找开源项目的时候会有准确说明，我这里用到的都是比较普通的，作为一个初学者也不会上手就找很难的没有接触到的东西，凡是都需要技术不断进阶，项目不断进阶才能一步一步接触到上层的东西，不然一下子很难接受。

以上说的都是要用到的模块，大家有个大概印象，认识平衡车是怎么个运行原理就行了。

那么平衡车怎么样才能保持平衡呢？

第一我们得知道车的倾斜角度吧，就像人走路总不可能不带眼睛吧，获取倾斜角度这里就要用到上面提到的MPU6050了。

第二我们得知道电机的转速，所以需要用到自带编码器电机，方便测速。所谓编码器，就是电机每转一下，编码器会输出高低电平（脉冲）给单片机，单片机可以用定时器进行计算转速。

现在抛开上面的东西不谈，设想一下假如你现在端着一叠盘子，盘子要往前倾，你的手也要迅速反应往前移动，往后也是一样。这里放在平衡车来说也是一样的，车子往前倾就要往前加速，车子往后倾就要往后移动，这样子就可以实现平衡效果。

有了预想期望，现在需要解决的问题是如何将MPU6050上的角度值传给小车？其实很简单，当角度为负（小车向前倾），那么让电机正转加速，反之如果角度为正（小车向后倾），就让电机反转（反向加速）。具体要转多快呢？就需要用到我们今天讲的pid控制算法了。

所谓pid就是比例p、积分i、微分d三个对应的项，OUT=Kp*error(t)+1/Terror(t)dt + Tderror(t)/dt,然后将积分项系数1/T和微分项系数T换成Ki,Kd,就成了

        OUT=Kp*error(t)+Ki*error(t)dt + Kd* derror(t)/dt，这个式子方面我们观察三个环节的系数，由于我们单片机处理的是离散信号，接收到的信号不可能是连续的，总是各一段时间采样一次，这里再将pid的式子写出离散形式OUT=Kp*error+Ki*error_int+Kd*(error-error_last),error_int表示error的累加项,error_last表示上一次的误差值(从上面的式子变下来本来要对微分项除去时间t的，但是这里将T和t都归到了Kd系数里)。

        这个式子为什么能控制电机转速呢？我们可以假设给一个error值代入式子看看输出变化，我们需要的预想值是0°，假设这时候车子向前倾斜，测得角度值为负，这时 error=0°-测得值，error值为正，代入上面的式子发现比例项“P”为正，积分项“I”也为正，微分项“D”为负,最后输出值OUT也为正。这里说一下三个环节的作用，比例项直接起到一个调节作用，对当前的误差值进行处理反馈给电机，积分项则是对之前的累加误差进行反馈处理，微分项则是阻碍error发生变化（如果误差变化越快，微分项输出的值也大，对系统变化的阻碍作用越强，这里可以把error增大的情况带进去，error变大越快，那么输出的OUT越大为了阻碍小车倾斜；反之如果error变小，这个时候比例和积分环节在起调节作用，让电机正转使小车平衡，那微分项D这个时候输出量为负，阻碍比例P和积分I的调节），所以总结“P”对当前误差反馈，“I”对累计误差反馈，“D”阻碍系统发生变化。这里就不深入讨论PID各个环节对系统的作用了，这里我只能告诉你KD越大，系统的快速性越大（调节越快），KI越大，消除稳态误差越快（所谓稳态误差就是系统达到稳定状态时与目标值还存在偏差，比如电机转动要克服摩擦力，光靠比例项是达不到规定的转速要求的，当比例项的输出与阻力大小一致时，电机不再加速，但这个时候系统还存在误差值error，转速还未达到指定值，这个时候微分项就起到补充作用，使转速不断靠近目标值），KD越大，阻尼效果越大（阻碍作用）。

        控制系统保持目标值就用OUT=Kp*error+Ki*error_int+Kd*(error-error_last)公式，没错就是这么粗暴且不讲道理，他就是可以做的把误差值经过各个环节处理反馈给系统输出保持error为零。我们要控制平衡车保持平衡要涉及到两个变量

1、目标值target        2、测得角度值Angle         error=target- Angle      error_int+= error                  OUT=Kp*error+Ki*error_int+Kd*(error-error_last) ,逻辑上各个已经解释过，公式成立，至于Kp,Ki,Kd是多大，这个需要自己不断调节大小。这里还有一个环节选择问题，对于小车保持平衡的问题，他是不存在稳态误差的，他不像电机旋转存在阻力影响需要Ki去补充误差，所以可以直接用Kp和Kd环节解决，也就是OUT=Kp*error+Kd*(error-error_last)。这里说的都是理想情况下，不考虑添加偏移角的问题，假设小车水平时测得的角度为0°，这个时候就不需要加偏移角度了。如果水平时角度不为0°的情况下，就需要加上偏移角了，也就是target=target+偏移角。以上就是小车直立环的pid编写逻辑。

        但是光靠直立环调节是远远不够的，有做过平衡车的朋友可以发现，光靠直立环小车只能勉强保持平衡，给小车施加外力会使小车前进或后退失去平衡。也就是说光靠直立环的调节是远远不够的，这个时候我们想要强化直立环的作用，那么就得多加一个pid进行串联，也就是双环pid控制。既然要加强直立环，这里的pid就必须是正反馈而不是负反馈了！！！什么是正负反馈呢？               拿我们的直立环来说OUT=Kp*error+Ki*error_int+Kd*(error-error_last)，只要存在误差，直立环就会努力控制电机让误差角度减小，如果将直立环的pid各个系数加上负号，效果就截然相反了，这个时候是在努力往放大误差的方向进行，但是我们这里可不上放大误差，而是放大直立环的调节作用。                                                                                                                                          OUT1=-Kp*error-Ki*error_int-Kd*(error-error_last)，  error=target_speed-speed,error_int+= error 

同样的涉及到两个变量        1、目标值target_speed        2、测得速度speed                                     只不过这里是正反馈，之前要把输出值OUT1给直立环的target值，形成一个串联pid控制，把速度环的输出值给直立环的输入，这样子一但直立环有误差存在，输出的转速反馈给速度环，速度环正反馈加大直立环的调节，直到角度输出为0°，电机才停下来。

以上就是双环控制平衡车直立的pid控制了，至于为什么速度环正反馈可以控制转速呢？我编程的时候也在思考，个人认为速度环输入的指定速度会输出给直立环对应的一个角度，小车倾斜直立环就会产生一个速度保持平衡，这个速度对应速度环输入的目标速度。这里在编程时也做了一个总结归纳：

这里需要提个醒，在调pid参数的时候不要上来就调很大，从小开始慢慢调，如果pid某个环节的极性反了就有可能烧坏电机驱动，本人由于直立环的微分项极性弄反，kd参数也没有从小开始调，已经烧坏了一个电机驱动了。

以上就是本次要分享的双环pid控制了，感谢观看。