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摘要：Nano是一個(gè)小巧可愛(ài)的機(jī)器人，身高大約10公分，特點(diǎn)是平衡感好，長(zhǎng)得很白以及善于賣(mài)萌。作為全球最迷你的自平衡機(jī)器人，Nano身材雖小，但配置有豐富的傳感器—陀螺儀，超聲波，Motion sensor，如果喜歡的話你可以讓它自主巡線，跟蹤，避障…更重要的是，它是完全開(kāi)源的，從硬件到軟件的資料都會(huì)在下文中提供下載。

Nano的功能演示

自平衡站立

自平衡行走轉(zhuǎn)向

手機(jī)APP遙控及交互

超聲波感應(yīng)

攝像頭目標(biāo)跟蹤

賣(mài)萌

Nano與蛋黃

Nano的創(chuàng)意始于2013年暑假，那時(shí)候它還叫“蛋黃”，當(dāng)時(shí)的想法是制作一個(gè)入門(mén)級(jí)的自平衡小車(chē)(因?yàn)橼s上學(xué)校飛思卡爾比賽，當(dāng)時(shí)報(bào)的平衡組，當(dāng)預(yù)習(xí)功課了)，初步的設(shè)想是：基于Arduino制作，可以用PS2手柄遙控，能平衡能走，最好還會(huì)賣(mài)萌。

其實(shí)那也是我第一次接觸和使用Arduino，當(dāng)時(shí)少年窮…買(mǎi)了一塊國(guó)產(chǎn)的mini pro裸板，感覺(jué)有點(diǎn)開(kāi)心，然后沒(méi)多久就被我瞎接電源給霍霍了…

最初版的蛋黃就是用mini pro做的，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有3D打印機(jī)可供差遣，所以所有部件連接基本都是靠萬(wàn)能的萬(wàn)能膠，整體結(jié)構(gòu)十分的粗獷，怎么說(shuō)呢，這也許就是蒸汽朋克風(fēng)吧(并不是)。

當(dāng)時(shí)做的一個(gè)小視頻《蛋黃物語(yǔ)》：

蛋黃的資料發(fā)在論壇之后引起了不少關(guān)注，很多同學(xué)被順利地帶進(jìn)了自平衡小車(chē)的坑…一年多時(shí)間還不斷有人問(wèn)我相關(guān)的問(wèn)題，也正因如此，羞愧于靠著這么點(diǎn)干貨應(yīng)付大家許久，加之個(gè)人對(duì)自平衡系統(tǒng)有了更深刻的理解…于是決定改進(jìn)初代蛋黃的諸多不足，著手設(shè)計(jì)制作蛋黃的2.0版本。

當(dāng)時(shí)對(duì)于初代的不滿情緒主要集中體現(xiàn)在外表(畢竟顏值就是戰(zhàn)斗力)，速度控制(當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有用上速度環(huán)，只能靠不斷手動(dòng)調(diào)節(jié)平衡點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng))，擴(kuò)展性(初代的外設(shè)太簡(jiǎn)陋，沒(méi)有完全發(fā)揮處理器的性能)，以及外表(可以看出我真的很在意…)。

最后就有了Nano啦~

制作教程

好啦接下來(lái)會(huì)介紹制作一只Nano的詳細(xì)教程，其中包括一些有關(guān)自動(dòng)控制的原理和個(gè)人遇到的一些問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。另外值得說(shuō)明的是，實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人的完整控制需要大量的參數(shù)調(diào)試過(guò)程，因此本教程會(huì)盡量以通俗的方式介紹原理和調(diào)試方法，但還是需要您擁有一定的電子制作基礎(chǔ)、熟悉Arduino的使用、較強(qiáng)的動(dòng)手能力，以及堅(jiān)定的極客精神，祝成功:-)

原理篇

自平衡小車(chē)是一種典型的倒立擺控制模型，什么是倒立擺呢，普通的鐘擺相信大家都見(jiàn)過(guò)

當(dāng)物體離開(kāi)垂直的平衡位置之后，便會(huì)受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動(dòng)重物回復(fù)平衡位置，這個(gè)力稱之為回復(fù)力，其大小為

F = ? mg*sinθ

在偏移角度 θ很小的情況下，?sinθ ≈ θ，所以回復(fù)力與偏移的角度之間大小成正比關(guān)系, 方向相反，在此恢復(fù)力作用下，單擺便進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)。

而考慮在空氣中運(yùn)動(dòng)的單擺，由于受到空氣的阻尼力， 單擺最終會(huì)停止在垂直平衡位置。空氣的阻尼力與單擺運(yùn)動(dòng)的角速度成正比， 方向相反。阻尼力越大，單擺越會(huì)盡快在垂直位置穩(wěn)定下來(lái)。

現(xiàn)在來(lái)看這樣一個(gè)等效模型

我們的車(chē)模其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)倒立的鐘擺，可以看到，這時(shí)候重力對(duì)于物體的作用是向下的，也就是當(dāng)物體偏移了一點(diǎn)角度之后，重力作用會(huì)和偏移角度方向相同，如果車(chē)輪不運(yùn)動(dòng)的話，擺就會(huì)很快倒下。

為了解決這個(gè)問(wèn)題， 使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置，我們有兩個(gè)辦法：

1、改變重力的方向 2、增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反。

顯然能夠做到的只有第二種方法，為此我們根據(jù)擺的偏移角度控制車(chē)輪加減速運(yùn)動(dòng)，這樣在小車(chē)的坐標(biāo)系（非慣性系）里，擺就會(huì)受到額外的慣性力作用，最終讓擺平衡起來(lái)。

再通俗一點(diǎn)說(shuō)，就是當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)小車(chē)向前倒的時(shí)候就趕緊讓它輪子加速向前，發(fā)現(xiàn)小車(chē)向后倒的時(shí)候就趕緊讓它輪子加速向后，只要這個(gè)過(guò)程做得足夠精確和快速，就能實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自平衡。

硬件篇

原理里面說(shuō)了我們要根據(jù)小車(chē)偏移的角度來(lái)控制輪子的加減速，那么根據(jù)需求這里面需要用到的模塊就有：

模塊	說(shuō)明
Arduino主控板	選任何一塊你熟悉的就行，推薦nano，小巧，下載方便
陀螺儀加速度計(jì)模塊	用來(lái)測(cè)量?jī)A角，推薦MPU6050，便宜，使用方便
減速電機(jī)	尺寸自定，但最終輸出轉(zhuǎn)速為300rpm左右會(huì)比較合適，值得注意的是電機(jī)必須帶編碼器或者碼盤(pán)來(lái)測(cè)速，單相或者兩相的都可以
電機(jī)驅(qū)動(dòng)	普通尺寸的電機(jī)推薦TB6612驅(qū)動(dòng)芯片，比L298的效率高不易發(fā)熱（平均電流1.2A左右，功率更大請(qǐng)選L298或其他驅(qū)動(dòng)）；迷你電機(jī)用L9110s模塊即可，便宜也很小巧
藍(lán)牙模塊	用于和手機(jī)通信，從模塊或者主從一體的都可以
按鍵	任何兩個(gè)腳的按鍵都可以，用來(lái)進(jìn)行一些設(shè)置
電池	如果是用高于5V的鋰電供電的話就可以直接使用，但如果做迷你車(chē)用3.7v的小電池供電，就需要注意得額外加一個(gè)DC升壓模塊，否則Arduino可能無(wú)法正常工作在16MHz
超聲波模塊	可用于測(cè)距和避障，SR04比較常用，更小巧一點(diǎn)的有RCW-0001，當(dāng)然更小的還可以買(mǎi)收發(fā)一體的自己DIY
距離傳感器	夏普的一系列傳感器，比超聲模塊貴一些，但效果也更好
OLED顯示屏	用來(lái)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)當(dāng)然少不了屏幕，0.96寸的分辨率128×64效果非常好，注意最好買(mǎi)SPI接口的，因?yàn)镮2C可能跟MPU6050有沖突（可能是個(gè)例，按理說(shuō)地址是不沖突的，具體原因沒(méi)有深究）
蜂鳴器	讓小車(chē)發(fā)聲，往往比盯著一個(gè)LED看效果更好，推薦使用有源蜂鳴器
攝像頭 Motion Sensor	準(zhǔn)確的說(shuō)是紅外光傳感器，由于Arduino的性能不足以進(jìn)行圖像處理所以無(wú)法使用一般的攝像頭

此外除一般焊接工具和手工工具外，一把熱熔膠槍會(huì)成為你DIY的得力助手。至于結(jié)構(gòu)件，有3D打印機(jī)的同學(xué)可以直接下載后面的STL文件自行打印，沒(méi)有打印機(jī)的同學(xué)也可以到萬(wàn)能的橙色網(wǎng)站找到3D打印服務(wù)店。還有一點(diǎn)需要說(shuō)明的是我當(dāng)時(shí)使用的小電機(jī)，是自己改裝過(guò)的，原本是一個(gè)數(shù)碼相機(jī)的變焦馬達(dá)所以非常小巧而且可以裝碼盤(pán)，改了減速比和增加出軸之后就拿來(lái)做小車(chē)了，只不過(guò)現(xiàn)在好像沒(méi)有這款賣(mài)了…

不過(guò)后來(lái)無(wú)意找到一款更合適的N20減速小電機(jī)，性能比自己改裝的那款好很多，虛位和摩擦損耗都會(huì)更好，出軸也能直接接輪子，而且配備了霍爾測(cè)速，長(zhǎng)這樣：

有意做超迷你平衡車(chē)的同學(xué)可以選用這款。TB鏈接就不發(fā)了…橙網(wǎng)搜 “N20減速電機(jī) 迷你”就能找到的

軟件篇

軟件篇主要介紹PID算法，可以說(shuō)PID是整個(gè)項(xiàng)目程序的核心，其使用的好壞決定了你的小車(chē)能不能自平衡，以及平衡得穩(wěn)定不穩(wěn)定。PID的算法和理論分析網(wǎng)絡(luò)上有很多介紹，這里就不詳細(xì)講解了大家可以自行搜索。基于數(shù)學(xué)模型的介紹有點(diǎn)不好理解，本文從控制學(xué)的角度簡(jiǎn)單講解一下PID及其使用方法。

所謂PID就是比例-積分-微分的英文縮寫(xiě)，但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是 PD, PI,甚至只有 P算法控制，下面分別介紹每個(gè)參數(shù)的含義：

首先需要明確一個(gè)事實(shí)就是，要實(shí)現(xiàn)PID算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制器中，而在自平衡系統(tǒng)中，常用的有三個(gè)控制環(huán) — 角度環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)

大家可以想象出每個(gè)閉環(huán)的反饋元件分別是什么嗎，對(duì)就是上面元件清單里面包含的 IMU(陀螺儀 加速度計(jì))、編碼器、攝像頭(或者其他可以確定方位的元件比如陀螺儀，磁場(chǎng)計(jì)等)

P（比例）：以小車(chē)巡線為例，現(xiàn)在需要讓小車(chē)跟隨一條軌跡前進(jìn)，用PID算法控制方向環(huán)，反饋傳感器就假設(shè)為攝像頭。那么小車(chē)行進(jìn)中有這么幾種情況：

1、車(chē)通過(guò)攝像頭發(fā)現(xiàn)自己處在軌跡的左邊，位置誤差值為正，那么就需要向右轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向值為正
2、車(chē)通過(guò)攝像頭發(fā)現(xiàn)自己處在軌跡的右邊，位置誤差值為負(fù)，那么就需要向左轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向值為負(fù)
3、車(chē)通過(guò)攝像頭發(fā)現(xiàn)自己處在軌跡的正中間，位置誤差值為0，很歡快地筆直前行，轉(zhuǎn)向值為0
于是我們發(fā)現(xiàn)，小車(chē)轉(zhuǎn)向值的輸出可以簡(jiǎn)單地通過(guò)把位置誤差乘以一個(gè)系數(shù)就得到了，而且顯然，誤差越大，得到的轉(zhuǎn)向值也越大，符合需求。這里面這個(gè)系數(shù)，就是P了，而系數(shù)具體的大小，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)試確定。

我們有了第一個(gè)公式：

D_term?=?kD*?(error-?last_error)
如果上面的例子還是不好理解的話，考慮前面的單擺模型：

P相當(dāng)于重力的作用，讓擺左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而D則相當(dāng)于空氣阻力，讓擺慢慢停在中點(diǎn)。D的大小很理想的情況下，應(yīng)該是大概擺動(dòng)左右各一下之后就停在中點(diǎn)，想象把擺放在水中擺動(dòng)的情況。

I（積分）：有的時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中存在一些固定的阻力，例如，我們用PID控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)給定的目標(biāo)速度很小的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：

根據(jù)P_term = kP * error，由于error很小，P的輸出也很小，而由于摩擦力的存在，此時(shí)并不能讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；又由D_term = kD* (error- last_error)，由于電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，顯然(error- last_error)始終為0于是D輸出也為0，那么問(wèn)題來(lái)了，除非改變目標(biāo)值，否則電機(jī)就永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)不起來(lái)了…

I的作用就是消除這樣的靜態(tài)誤差，它會(huì)將每次的誤差都積累起來(lái)，然后同樣也是乘以一個(gè)系數(shù)之后作為輸出。比如上面的情況，雖然誤差很小，但卻不是0，于是在每一輪的計(jì)算中，I項(xiàng)把error逐漸累積，直到超過(guò)臨界值讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)；而在誤差為0的情況下，I項(xiàng)卻又不會(huì)幫倒忙。

第三個(gè)公式：I_term = kI*（I_term error）

以上就是PID的全部計(jì)算了，最后三者加起來(lái)就得到了：

PID_output?=?P_term? ?I_term? ?D_term
每隔一段固定時(shí)間把它運(yùn)行一遍，就是PID算法了。

可以看出，PID的算法實(shí)現(xiàn)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，不過(guò)只有幾行代碼而已，所以非常建議自己實(shí)現(xiàn)一遍PID代碼。Arduino平臺(tái)上也是有PID庫(kù)的，但庫(kù)的名字叫什么我不告訴你，自己去找哦。

制造篇

如果上面的都可以理解的話就可以開(kāi)始動(dòng)手制作啦，這里會(huì)以Nano的制作過(guò)程為例，但是大家可以根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整。

網(wǎng)盤(pán)老是鏈接失效，所有文件(源代碼 STL模型文件 APP)都發(fā)在與非電路城上(收1元當(dāng)請(qǐng)我吃辣條了…)

對(duì)里面文件說(shuō)明一下：

1、STL文件是Nano頭部和身體的結(jié)構(gòu)件，底座由于大家使用電機(jī)不同需要自己確定，按照自己買(mǎi)到的電機(jī)的情況制作一個(gè)帶兩個(gè)電機(jī)的底座就行，有熱熔膠槍的幫助應(yīng)該挺簡(jiǎn)單的

2、源碼建議用1.6.5版本的IDE編譯，舊版本的庫(kù)文件有些區(qū)別

原理圖

需要說(shuō)明的是圖里面的電源線是沒(méi)有連接的(一正一負(fù)大家都知道)，另外IO大家可自己調(diào)換，只要在程序里改一下宏定義就行；另外編碼器分為單相和AB相的，我這里用的是單相，只能測(cè)轉(zhuǎn)速不能測(cè)方向，所以其實(shí)方向的檢測(cè)是通過(guò)給電機(jī)的PWM方向近似模擬的，有條件的話還是用雙向的更好。單相編碼器的話直接把信號(hào)線接到D2，D3腳，分別屬于中斷0和中斷1；AB相的話則是一根線接到D2或D3另一根線接到一個(gè)普通IO用來(lái)判斷方向(這時(shí)候需要修改程序最后的ENCODER_L()和 ENCODER_R()函數(shù)內(nèi)容)。

然后就開(kāi)始按圖連接模塊到外殼里

文件打印好之后按原理圖組合，頭部里面裝了超聲波，Arduino nano板(不帶排針)，藍(lán)牙模塊，兩個(gè)LED，攝像頭以及蜂鳴器，注意把所有的IO都用導(dǎo)線引出到脖子部位

正面的樣子

頭部模塊都塞完之后先別急著粘合，之后還有身體的導(dǎo)線要連接到主控板，里面的部件可以先用熱熔膠固定一下。對(duì)了導(dǎo)線選擇的話如果技術(shù)好可以用漆包線最省空間，沒(méi)有把握的話就用這種FC排線，比較軟去皮容易，比較細(xì)而且是整排一起的會(huì)美觀一些，杜邦線真的很不好用…

身體部分主要放舵機(jī)(如果要用的話)，OLED，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板及升壓板，OLED塞的時(shí)候注意不要用蠻力不然屏幕玻璃易碎(不要問(wèn)我怎么知道的…)

如果上面裝頭部的時(shí)候有把導(dǎo)線引出這時(shí)就可以焊在屏幕上了。MPU6050在底部，也用502或者熱熔膠固定。

然后是舵機(jī)，舵機(jī)用的是最常見(jiàn)的9g舵機(jī)，雖然也有更小的但是怕力矩不夠，可以看到由舵機(jī)擺臂推動(dòng)脖子的連接桿就可以讓頭部運(yùn)動(dòng)了。舵機(jī)不是很建議采用，一個(gè)是小機(jī)器人的電池功率比較小，舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)的時(shí)候容易造成死機(jī)，另一個(gè)頭部重量還是相對(duì)比較大，所以運(yùn)動(dòng)的時(shí)候重心變化容易干擾平衡，參數(shù)設(shè)置會(huì)更復(fù)雜。

然后是裝身體部分側(cè)面，先把升壓板用熱熔膠固定在一邊，然后蓋上蓋板用502粘合（紅色圈住的是一塊DC-DC升壓板）

這時(shí)候主體就已經(jīng)快完成啦

這時(shí)可以開(kāi)始制作電機(jī)底座了，一個(gè)參考方案是，用一張廢棄的電話卡或者銀行卡剪裁一下作為基板，然后把兩個(gè)電機(jī)用熱熔膠固定在基板上，這樣基板就可以用膠和身體粘合起來(lái)了。

現(xiàn)在可以裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)了，我用的是L9110S，直接蓋在身體背面

裝上背蓋整個(gè)身體部分就完成啦！

最后是電池包，找塊輕薄一點(diǎn)的電池直接粘在背部就行，也可以加上電池蓋

側(cè)面的樣子

小Nano完成了！

當(dāng)然現(xiàn)在它還不會(huì)動(dòng)，這時(shí)候還是先別急著把頭部粘合，先寫(xiě)幾個(gè)小程序逐個(gè)測(cè)試一下每個(gè)模塊的工作狀態(tài)，比如超聲波是否工作，6050有沒(méi)有數(shù)據(jù)，這些程序直接去各個(gè)庫(kù)里面找到例程改一下定義的引腳運(yùn)行看效果就行。

當(dāng)確定沒(méi)有問(wèn)題之后，用熱熔膠仔細(xì)地固定好每個(gè)部位，準(zhǔn)備開(kāi)始程序調(diào)試工作了。

打開(kāi)源程序文件夾里任意一個(gè)文件，就可以看到整個(gè)工程代碼。

首先需要修改的是引腳定義，把引腳改成你實(shí)際連接的情況

/*********************引腳定義*********************/
#define?LFT?0
#define?RHT?1
#define?BUZZER?4?//蜂鳴器
#define?BUTTON?5?//按鈕
#define?LED?11?//臉頰LED
//#define?SERVO?13?//舵機(jī),小機(jī)器人不推薦使用,電流易過(guò)載
#define?TRIG_PIN?8?//超聲波模塊觸發(fā)腳
#define?ECHO_PIN?7?//超聲波模塊接收腳
然后再最上面的調(diào)試選項(xiàng)中，取消IMU_OUTPUT的注釋，像這樣

/*****************************調(diào)試選項(xiàng)********************************/
//#define?TIMING_DEBUG???//PID周期調(diào)試,開(kāi)啟后打印時(shí)間信息
//#define?PARAM_DEBUG????//PID參數(shù)調(diào)試,關(guān)閉后用宏取代變量值節(jié)省動(dòng)態(tài)內(nèi)存
#define?IMU_OUTPUT??//輸出6050數(shù)據(jù)
//#define?SONIC_OUTPUT??//輸出超聲波數(shù)據(jù)
//#define?SPEED_LOOP???????//速度環(huán)開(kāi)關(guān)
//#define?MOTOR_ENABLE?????//電機(jī)使能
//#define?SONIC_ENABLE?????//超聲波使能
//#define?CAMERA_ENABLE??//攝像頭使能
下載程序到主控里，打開(kāi)串口監(jiān)視器，按一下按鍵，就可以看到輸出的角度數(shù)據(jù)了。

如果數(shù)據(jù)不正常的話需要檢查前面哪里出問(wèn)題了，這一步是為了獲取機(jī)器人平衡的自然角度：手動(dòng)把機(jī)器人放正，就是大概在自然重心的平衡角度，讀取串口的角度數(shù)據(jù)，記錄下這個(gè)值就是angle_setpoint的值了，把66行的angle_setpoint = 0改成你得到的值。

下一步把IMU_OUTPUT重新注釋掉，開(kāi)啟MOTOR_ENABLE的注釋，然后用?Motor(char LR, int SPEED)這個(gè)函數(shù)放在setup()的最后面來(lái)檢測(cè)電機(jī)的正負(fù)極是否正確，也就是當(dāng)給Motor(LFT,100)時(shí)左輪正轉(zhuǎn)，Motor(LFT,-100)時(shí)左輪反轉(zhuǎn)，Motor(RHT,100)時(shí)右輪正轉(zhuǎn)，Motor(RHT,-100)時(shí)右輪反轉(zhuǎn)。

上一步也檢測(cè)成功之后，就可以開(kāi)始調(diào)節(jié)角度環(huán)的PID參數(shù)了

/***************PID變量定義**********************/
#ifdef?PARAM_DEBUG??//角度環(huán)數(shù)據(jù)
double??P_angle?=?0,?I_angle?=?0,?D_angle?=?0;
#else
#define?P_angle??0
#define?I_angle??0
#define?D_angle??0
#endif
double??angle_setpoint?=?0,?angle_output,?angle_integral;
uint32_t?angle_PID_timer;
#ifdef?PARAM_DEBUG??//速度環(huán)數(shù)據(jù)
double??P_speed?=?0,?I_speed?=?0;
#else
#define?P_speed??0
#define?I_speed??0
#endif
double??speed_setpoint?=?0,?speed_output,?speed_integral;
uint32_t?speed_PID_timer;
說(shuō)明一下這里用宏定義了一遍參數(shù)的原因是，如果用的mega328p的芯片的話由于整個(gè)程序代碼量還是挺大的所以會(huì)提示動(dòng)態(tài)內(nèi)存緊張，所以在調(diào)試完參數(shù)之后就把它們用宏固化了節(jié)省SRAM。

總體的參數(shù)整定原則是：

1、先P后D，如果電機(jī)響應(yīng)慢(比如減速級(jí)很多的電機(jī))，再調(diào)I，如果PD效果足夠好的話則不需要I

2、單一變量法，即調(diào)整一個(gè)參數(shù)的時(shí)候其他參數(shù)都固定不變

3、先定量級(jí)再定數(shù)值，比如調(diào)整P的時(shí)候，先從0.0001開(kāi)始，查看小車(chē)反應(yīng)，沒(méi)有效果的話改為0.001，以此類推，直到確定一個(gè)合適的數(shù)量級(jí)，然后才開(kāi)始在這個(gè)數(shù)量級(jí)里微調(diào)，這樣其實(shí)就已經(jīng)把調(diào)整的范圍縮小到很小了

4、先超調(diào)再減小，即所有參數(shù)都先盡量加大，直到系統(tǒng)震蕩，然后再取這個(gè)值的小一點(diǎn)的值作為最合適參數(shù)

5、調(diào)試過(guò)程中盡量讓車(chē)處于自然狀態(tài)沒(méi)有額外的力作用，即盡量用無(wú)線調(diào)試，有線的話找根軟一些的線

好那么調(diào)節(jié)過(guò)程中小車(chē)什么表現(xiàn)才算是“好”呢？

在角度環(huán)中，當(dāng)P逐漸增大，小車(chē)會(huì)開(kāi)始有恢復(fù)力作用，也就是當(dāng)手扶著往前倒的時(shí)候小車(chē)也能大概跟著往前走，但是還是走的很“軟”，再逐漸增大參數(shù)，恢復(fù)力越來(lái)越大，直到大到一定程度，小車(chē)開(kāi)始前后自主劇烈抖動(dòng)，電機(jī)性能好一點(diǎn)的小車(chē)即使手不扶著也能大概站立了。

稍微減小剛剛震蕩的參數(shù)，作為P值固定在程序里，開(kāi)始調(diào)節(jié)D值，依然是確定量級(jí)之后逐漸增大，在增大的過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)小車(chē)的震蕩頻率逐漸降低了，增大到一定程度小車(chē)基本不再震蕩，這個(gè)值就是需要的D值了

也會(huì)有一部分情況下由于電機(jī)性能原因上面PD的調(diào)整過(guò)程中始終無(wú)法達(dá)到很好的效果，那么此時(shí)需要加入I，在調(diào)完P值之后，D值置0，增加 I值，直到小車(chē)的恢復(fù)力變得比較“硬”，然后稍微減小P值，直到出現(xiàn)比較理想的直立效果；最后再加D，視效果增加到震蕩為止，再減小到70%左右，這樣角度環(huán)PID所有參數(shù)就整定完成了。

角度環(huán)調(diào)好了，小車(chē)可以穩(wěn)定平衡了，可是為啥它一直往一邊跑呢？

因?yàn)榻嵌拳h(huán)的任務(wù)就是維持小車(chē)的角度，除此之外就是它能力范圍之外了，角度環(huán)是不關(guān)心小車(chē)是靜止著平衡的，還是邊跑邊平衡的 — 如果恰好目標(biāo)平衡點(diǎn)和小車(chē)重心平衡點(diǎn)重合，那么小車(chē)可以大概靜止，而如果不是，那小車(chē)就會(huì)在平衡中不斷加速，直到輪子的速度超出了電機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)速，于是小車(chē)還是會(huì)倒下。

所以我們需要添加一個(gè)速度環(huán)，用編碼器測(cè)量速度來(lái)作為反饋

在速度環(huán)中，首先確定編碼器獲取的數(shù)值是正確的，在程序中分別是count_L和count_R儲(chǔ)存計(jì)數(shù)，打印輸出一下轉(zhuǎn)動(dòng)輪子看數(shù)據(jù)對(duì)不對(duì)，正確的話，在調(diào)節(jié)好角度環(huán)的基礎(chǔ)上，就可以添加速度環(huán)了。

在調(diào)試選項(xiàng)中取消SPEED_LOOP的注釋，然后這次我們不需要D，速度環(huán)單純靠PI調(diào)節(jié)，而且先調(diào)?I再調(diào)P，對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)如下：

先給一個(gè)比較小的P值(因?yàn)镮是P的累加，如果P為0的話I也就沒(méi)有意義了)，隨著I值逐漸增大，用手輕推小車(chē)，小車(chē)會(huì)前進(jìn)之后慢慢后退，就說(shuō)明參數(shù)起作用了。此時(shí)你可以決定到底給一個(gè)更大的 I值還是小的I值，越大的I值對(duì)應(yīng)了更快的恢復(fù)速度，在偏離之后會(huì)更劇烈地后退，在更短的距離內(nèi)回到原點(diǎn)，但是當(dāng)然這樣也會(huì)降低小車(chē)的穩(wěn)定性，而小的參數(shù)則于此相反，需要在前進(jìn)更長(zhǎng)的距離之后才會(huì)慢慢回到原點(diǎn)，但是也使得抗干擾能力增強(qiáng)，也就是不會(huì)被輕易推倒。

只用I值的話小車(chē)的回復(fù)會(huì)是往復(fù)的，逐漸逼近原點(diǎn)，加上P值則可以消除這種來(lái)回震蕩，與角度環(huán)調(diào)節(jié)D值的過(guò)程一樣，逐漸增加直到推了之后可以在前后各擺動(dòng)一次就回復(fù)到原點(diǎn)靜止，此時(shí)這個(gè)P值便是對(duì)應(yīng)于那個(gè) I值的最合適參數(shù)。

這里有個(gè)我之前做的一個(gè)大車(chē)的抗干擾視頻，該車(chē)的電機(jī)性能非常暴力，因此可以看到其平衡性能非常好

PID參數(shù)的調(diào)整過(guò)程大概如此，總之這是一項(xiàng)既需要細(xì)心調(diào)整，但自由度也很大的工作，所謂“大膽假設(shè)，小心求證”，在多嘗試幾種參數(shù)組合之后，你會(huì)找到適合你的小車(chē)的magic point的~

關(guān)于參數(shù)的調(diào)整本來(lái)還有很多可以說(shuō)，比如調(diào)整的形式上，大家可以在小車(chē)上加上幾個(gè)電位器用analogRead讀取后作為參數(shù)值，這樣就可以方便而直觀地觀察到參數(shù)連續(xù)變化帶來(lái)的影響；又比如無(wú)線調(diào)試的話使用SSH終端的串口協(xié)議方式控制會(huì)比使用串口助手方便很多等等。但我想對(duì)于參數(shù)理解最有效的方式還是親手去操作，多嘗試多對(duì)比。

文章來(lái)自華為天才少年稚暉君的博客，http://www.pengzhihui.xyz/2015/12/09/nano/ 關(guān)于稚暉君的介紹請(qǐng)看：華為天才少年——稚暉君！

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