PID循迹控制算法

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#算法 #pid #控制器 #传感器

于 2020-11-28 15:01:33 首次发布

本文详细介绍了PID控制在小车循迹中的应用，包括PID控制原理、传感器选择及控制策略等关键技术点，并提供了完整的代码实现。

该文章已生成可运行项目，

前言

让小车进行循迹最重要的是获取车相对于循迹线的位置，关于循迹模块的原理我已经在之前的一篇博客上讲过，如果大家没看过的话可以点此链接：PID循迹模块原理。

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PID循迹原理简介

循迹车

图1 循迹车寻线行走图示

PID循迹的原理我们大致可以用常识性思维去思考下，如图1所示为循迹车寻线行走图示，现在小车要按照中间那条黑线循迹行走，如果车头往左偏则需要控制方向盘让车往右转，车头往又偏则需要让车往左转。但是仅仅只有左转和右转的话，车一到左边就向右转，一到右边就向左转，则车会来回在线左右晃动，速度一快就会偏离航向。这种循迹方法是最简单的方法，市场上常用的循迹传感器控制方法也就是这种，因为这种循迹传感器只能输出0或1，如图2所示。

在这里插入图片描述

图2 市场常见的红外循迹传感器只能输出0和1

所以这种传感器控制效果很差，速度慢了还好，速度稍微一块就会很容易偏离循迹线。如果我们需要实现更为精确的控制就需要引入比例P控制，也就是我们需要通过考验获取到线性输出的循迹传感器，获取到小车偏离黑线的程度，偏离的越远就向黑线方向转的程度就越大，偏离的越近就向黑线方向转的程度就越小，这就是引入比例P控制。但是转的时候又不能使小车转的过快，这就需要引入微分d控制，也就是PI转向控制器即可控制小车的循迹转向。小车在循迹的的时候有时也需要控制小车的循迹速度，控制小车的循迹速度需要PI速度控制器，前提当然我们也需要一个获取小车速度的传感器，也就是编码器，下面开始介绍下PID控制器原理。

PID控制器原理

PID控制器是一种线性控制方法，控制原理如图3-1所示，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)。对偏差进行比例、积分、微分运算，将三种运算结果相加，即可得到PID控制器的控制输出u(t)。在连续时间域中，PID控制器算法表达式如下：
在这里插入图片描述

式中：kp为比例系数，Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
在这里插入图片描述

图3 PID控制系统原理框图

在循迹控制中，只需要PD控制器即可，公式中输入偏差e(t)为循迹传感器输出值，经过PD控制器后输出u(t)直接控制小车转向。在循迹控制中我们也需要控制循迹车的前进的速度，控制循迹车前进速度需要通过PI控制器来实现。循迹小车的整个控制原理系统框图如图所示。
在循迹小车控制原理系统框图

图4 循迹小车控制原理系统框图

PID控制器代码实现

PID控制器实现代码如下：

//定义pid结构体
struct PID
{
   
   
	float kp;
	float ki;
	float kd;
};
typedef struct PID _PID;

//定义转向pid参数结构体
_PID TurnPdate=
{
   
   
	.kp=100,			//赋值比例值60
	.ki=0,			//赋值积分值
	.kd=-34			//赋值微分值-45
};		
//定义速度pid参数结构体
_PID SpdPdate=
{
   
   
	.kp=-50,			//赋值比例值-80
	.ki=-6,			//赋值积分值-10
	.kd=0			//赋值微分值
};