舵機(jī)的原理和控制

控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

舵機(jī)的追隨特性：

假設(shè)現(xiàn)在舵機(jī)穩(wěn)定在A(yíng)點(diǎn)，這時(shí)候CPU發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)，舵機(jī)全速由A點(diǎn)轉(zhuǎn)向B點(diǎn)，在這個(gè)過(guò)程中需要一段時(shí)間，舵機(jī)才能運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

保持時(shí)間為T(mén)ｗ

當(dāng)Tｗ≥△T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；

當(dāng)Tｗ≤△T時(shí)，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

理論上：當(dāng)Tｗ=△T時(shí)，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

實(shí)際過(guò)程中ｗ不盡相同，連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T比較難以計(jì)算出來(lái)。

假如我們的舵機(jī)1DIV =8us，當(dāng)PWM信號(hào)以最小變化量即（1DIV=8us）依次變化時(shí)，舵機(jī)的分辨率最高，但是速度會(huì)減慢。

智能車(chē)舵機(jī)控制算法詳解

舵機(jī)：小車(chē)轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)。也就是控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝調(diào)試、控制簡(jiǎn)單、大扭力、成本較低等。舵機(jī)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(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)能夠在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出值得單片機(jī)系統(tǒng)很容易與之接口。

組成：舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路等

工作原理：控制信號(hào)→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋。

輸入線(xiàn)：中間紅色——電源線(xiàn)Vcc；黑色——地線(xiàn)GND；白色/橘黃色——控制信號(hào)線(xiàn)

信號(hào)：pwm信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5ms（周期為20ms），相對(duì)應(yīng)的舵盤(pán)位置為0－180度，呈線(xiàn)性變化。

pwm波脈沖寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)角角度的關(guān)系：

也就是不同脈沖寬度的pwm波，舵機(jī)將輸出不同的軸轉(zhuǎn)角。所以要控制小車(chē)的轉(zhuǎn)角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

PWM：脈沖寬度調(diào)制

原理：對(duì)電路元件的通斷進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的電路：

我們以5s為一個(gè)周期，在每一個(gè)5s內(nèi)，前3s開(kāi)關(guān)打開(kāi)，后2s開(kāi)關(guān)閉合，則ab端電壓將會(huì)這樣變化：

對(duì)電路元件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖。

在這個(gè)例子中，輸入信號(hào)脈沖寬度為3s，周期為5s。

重復(fù)一下：所以要控制小車(chē)的轉(zhuǎn)角，我們就要控制輸出不同脈沖寬度的pwm波。

PID控制：一種調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分的控制。其中：P：比例（proportion）、I：積分（integral）、D：導(dǎo)數(shù)（derivative）

式子中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間參數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

各個(gè)參數(shù)的意義作用：

Kp：比例系數(shù)。一般增大比例系數(shù)，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)。

Ti：積分時(shí)間常數(shù)。一般地，積分控制通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成 PI或 PID控制．增大積分時(shí)間常數(shù) （積分變?nèi)酰┯欣谛〕{(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時(shí)要延長(zhǎng)系統(tǒng)消除靜差的時(shí)間．積分時(shí)間常數(shù)太小會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)．

Td：微分時(shí)間常數(shù)。一般微分控制和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成PD或PID控制，微分控制可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

PID的控制方法常用的有兩種：

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(duì)控制量的增量進(jìn)行PID控制的一種控制算法。

（說(shuō)明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，e數(shù)組-》error數(shù)組，

e［n］-》本次差值，e［n-1］-》上次差值，e［n-2］-》上上次差值）

舉個(gè)例子，增量式PID可以應(yīng)用在電機(jī)上。

假設(shè)當(dāng)前電機(jī)PID的pwm值為5000（精度為10000，即此時(shí)的占空比為50%）。對(duì)應(yīng)的速度為100r/s。

程序發(fā)出一個(gè)命令，要求pwm輸出為0，即要求停車(chē)。（可能有人有疑問(wèn)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(chē)會(huì)在一段時(shí)間后才停下。）

這時(shí)，我們可以采用PID控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

我們?cè)诔绦蛑卸x幾個(gè)變量：

根據(jù)公式，我們編寫(xiě)程序：

void PID（）

{

/*

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(guò)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(hào)，加號(hào)是增量式PID的體現(xiàn)。我們對(duì)增量（即右邊的式子）進(jìn)行PID控制。

error_pre_pre=error_pre;

error_pre=error;

}

當(dāng)函數(shù)運(yùn)行第一次的時(shí)候，輸出的pwm為：

電機(jī)給了一個(gè)反轉(zhuǎn)的力，小車(chē)前進(jìn)受到了阻力，于是可以很快的停下來(lái)了。

2、位置式PID

與增量式不同，位置式PID不需要對(duì)控制量進(jìn)行記憶，直接對(duì)偏差值進(jìn)行計(jì)算得出期望的pwm。公式：

（說(shuō)明：Kp-》P，Ki-》I，Kd-》D，ek-》本次誤差、ek-1-》上次誤差）

舉個(gè)例子，位置式PID可以應(yīng)用在舵機(jī)上。因?yàn)槎鏅C(jī)本次的pwm輸出值與上次pwm輸出值關(guān)系不太，舵機(jī)需要的是快速轉(zhuǎn)到某個(gè)角度。

假設(shè)舵機(jī)pwm輸出1000時(shí)舵盤(pán)轉(zhuǎn)軸為90°，pwm輸出0時(shí)舵盤(pán)轉(zhuǎn)軸為0°，pwm輸出2000時(shí)舵盤(pán)轉(zhuǎn)軸為180°。

現(xiàn)在舵機(jī)pwm輸出為1500，我們要讓舵盤(pán)轉(zhuǎn)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(duì)偏差求和。我們當(dāng)時(shí)試驗(yàn)小車(chē)的舵機(jī)控制時(shí)發(fā)現(xiàn)I值可以省略，PD控制足矣。當(dāng)然，具體需不需要I項(xiàng)要在實(shí)際中進(jìn)行分析驗(yàn)證）。

代碼：

pwm_duty=（int）（P*error+D*（error-error_pre）; //紅色部分表示這是位置式PID控制

反饋系統(tǒng)：