掌上单片机实验室 – 检验自整定适应性（12A）

一、背景

       前面经过努力，将Arduino 的共享资源 PID AutoTune 自整定库用起来了，并进行了验证性测试，效果不错。

       但那个验证是在我琢磨自整定库的平台上（掌上实验室小车）进行的，做完后回味了一下，感觉应该换到轮式驱动单元上测试一下，看看如何？

       因为当初我尝试 PID 时，手工整定在轮式驱动单元上成功了，但到掌上实验室小车上却没有达到预期，说明两个平台物理特性还是有差别的。虽说两个小车的驱动电路完全一样，但两个轮子的物理尺寸不同，所用的电机虽然都是130电机，但减速比不同。

二、目的

       验证针对不同物理特性的对象，PID自整定的效果如何。

三、测试方式、过程

3.1 硬件准备

       因为目的就是检验一下自整定算法的适应性，为减小工作量，用两个轮式驱动单元所构成的差分驱动小车底盘作为对象，和掌上实验室小车的差别只是物理结构、尺寸不同，驱动电路完全一样：

        控制板用和掌上实验室相同的STM32F103C8核心板，为便于接线，使用我自己设计的Arduino UNO扩展板：

       详细介绍见：ROS学习笔记之六 – 创建基于STM32的Arduino环境

       https://blog.youkuaiyun.com/embedream/article/details/91823053

       轮式驱动单元内置控制和反馈电路，用杜邦线引出，对于学习而言，很方便使用，任何一块核心板都可以，只是上述扩展板上每个IO引脚都配了一对电源和地线，更方便一些：

 

       小车供电使用最常见的充电宝，只需自己做一根USB电源线即可（这是我买的DIY套件，用笔记本电脑失效的电池拆开后组装的，4节18650）：

 

 3.2 程序准备

       因控制板一样、驱动电路一样，所以程序基本无需修改，只是将对应车轮尺寸的两个常数定义修改一下。

      掌上实验室小车的轮子直径 65mm，一圈60齿：

     轮式驱动单元的轮子直径是 80mm，一圈是100齿： 

          实际接线时，发现扩展板上 PC14、PC15没有焊接插针，故换到 PB14、PB15。

          此外，由于两个轮式驱动单元是对称安装，左右侧转动方向相反，故修改左侧的控制信号Ctrl2、Ctrl3定义，交换一下，以使得两个轮子的转动方向统一（实际上掌上实验室小车有同样的问题，只是那个小车上可以通过改变电机的接线方向实现）。

3.3 PID自整定过程

        完全按照“掌上单片机实验室 – 检验自整定效果”一文的测试过程，实际结果如下：

左侧自整定过程：

 

 

 右侧自整定过程：

 

 

 

3.4检验效果

    将上述整定结果作为 PID 调速的默认参数：

        用 90% 的 PWM 测试了一下，两侧轮子的最快转速大约是 380mm/s，故选择100、300mm/s两点作为调速验证，结果如下：

1、左侧速度 100mm/s：

2、左侧速度 300mm/s： 

 3、右侧速度 100mm/s：

 4、右侧速度 300mm/s：

 

 5、设置两轮速度为150mm/s，走1000mm：

PID 自整定适应性测试

       从上述结果看，基本和前面的验证一致，符合预期。

       由此可以得出，这个自整定的算法可以很方便地实现 PID 参数整定，而且效果不错！

四、结语

       用自整定方式完成 PID 参数整定，对于PID 应用而言，无疑是个福音。

       因为很多时候大家都知道需要使用 PID 控制以达到所需要的效果，但实际使用时很少得到满意的结果。

       因为对象特征千差万别，没有好的手段很难获得。而且，通常对象特性包含了很多因素，就拿我测试的小车来说，输入只是 PWM，但影响速度的因素却有很多：转动阻力、车轮惯性、供电电源、测速的真实性等。

       这个方式实际上是利用程序自动重复加入扰动激励，从而获得包含所有因素的响应，还是很有价值的！

        以后如果遇到不同的 PID 应用场景，再多尝试几次，看看其普适性如何。

        但目前为止，我认为其对于直流电机的 PID调速是完全能够胜任的！

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文中程序下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1g_X8zD0fjST_PPmEx-_SGg

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