玩转 OpenHarmony PID:教你打造两轮平衡车
简介
此次为大家带来的是 OpenAtom OpenHarmony(以下简称“OpenHarmony”)系统与 PID 控制算法相结合并落地的平衡车项目。
PID 控制算法是一种经典的,并被广泛应用在控制领域的算法。类似于这种:需要将某一个物理量保持稳定的场合,比如维持平衡,稳定温度、转速等,PID 都会适用。在四轴飞行器,平衡小车、汽车定速巡航、温度控制器等场景均有应用。
通过本样例的学习,开发者能够对 OpenHarmony 系统设备端开发有进一步的认识,还能够掌握 PID 控制算法的使用。本样例使用 OpenHarmony 3.2 Beta1 操作系统,硬件平台采用小熊派 BearPi-HM Nano(Hi3861)开发板。本样例效果动图:
硬件配置资源
两轮平衡小车主要硬件资源:
主控 CPU:小熊派 BearPi-HM Nano(Hi3861)开发板;
陀螺仪:MPU6050 六轴陀螺仪传感器;
左右轮:带有霍尔传感器的直流电机;
小车平台及结构件资源可以自行在相关网站获得。
原理概括
小时候都玩过上图游戏吧:木杆立在手指上,尽量保持木杆直立不倒。
当木杆向前倾斜时,我们会往前行走,以用来抵消木杆的前倾;往后倾斜时,我们会往后倒退。对的!没错!你猜对了。平衡车的控制原理就是这样:
PID 算法介绍
平衡车的控制离不开对 PID 算法的应用。那么什么是 PID 算法?它能解决什么问题?
PID 算法:就是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”,是一种常见的“保持稳定”控制算法。
结合两轮平衡车的场景,对 PID 参数的认识如下:
P 比例参数:该参数能够快速让小车达到平衡状态,但是由于控制是滞后的,以及是惯性系统,容易带来超调,即小车会出现前后摇摆的现象。所以 P 参数不能太大;
I 积分参数:小车由于摩擦力或者风阻力,并且 P 不能太大,只靠 P 控制有可能达不到稳定状态,所以需要加入 I 积分参数,消除稳态误差;
D 微分参数:平衡小车维持的是倾斜角度要为平衡角度,由于 PI 参数使小车振荡,小车会出现前后摇摆现象,加入 D 微分参数能够消除小车的振荡。
两步搭建样例工程
在 OpenHarmony 源码基础上,两步构建平衡小车代码。(OpenHarmony 源码下载路径及 BearPi-HM Nano(Hi3861)开发板代码烧录,请参考文章末尾相关链接)
第一步:拷贝 Balance_car 文件夹到源码路径下:\device\board\bearpi\bearpi_hm_nano\app\ (Balance_car 文件获取路径,请参考文章末尾相关链接)如图文件夹目录:
第二步:修改 BUILD.gn,在源码路径下:\device\board\bearpi\bearpi_hm_nano\app\BUILD.gn 添加编译依赖:"Balance_car:balance_car",如下图:
关键算法讲解
两轮平衡车的控制主要涉及三个 PID 环的串联使用,它们分别是直立环(平衡控制)、速度环(速度控制)、转向环(方向控制)。三个控制效果合成,控制轮子运行。
直立环控制算法:
直立环控制算法是平衡小车维持平衡的主要算法。直立环采用了 PD 算法环节,即只有比例与微分环节。
倾斜角度大小以及角加速度大小决定了轮子的速度大小。可以理解为倾斜角度越大,控制轮子顺着倾斜的方向的速度越大;倾斜的角加速度越大,控制轮子速度也要越大。
速度环控制算法:速度环控制的目的是让机器以恒定速度前进或后退,该恒定速度可以为 0 速度,即要让平衡车静止。速度环采用了 PI 环控制,只有比例与积分环节。
转向环控制算法:转向环的目的是控制小车以恒定速度转向。在本次场景为了控制小车平衡静止,所以只做了限制转向的操作。
以上详细代码,请参考文章末尾的相关链接(Balance_car 文件获取路径)。
总结
本文呈现了两轮平衡小车的大致原理。简单介绍了一下 PID 算法的效果:P 比例参数,能够快速让系统达到稳定值,但是 P 太大容易超调,带来振荡;I 积分参数,消除稳态误差,让系统达到稳定值;D 积分参数,能消除振荡,但是会使系统时效性变慢。开发者可以根据现场情况,合理调节 PID 三个参数。
本样例是 OpenHarmony 知识体系工作组(相关链接在文章末尾)为广大开发者分享的样例。同时知识体系工作组结合日常生活,给开发者规划了各种场景的 Demo 样例,如智能家居场景、影音娱乐场景、运动健康场景等;欢迎广大开发者一同参与 OpenHarmony 的开发,更加完善样例,相互学习,相互进步。
相关链接
OpenHarmony 源码下载路径:https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/release-notes/OpenHarmony-v3.2-beta1.md
Balance_car 文件获取路径:https://gitee.com/openharmony-sig/vendor_oh_fun
BearPi-HM Nano(Hi3861)开发板代码烧录参考链接:https://gitee.com/bearpi/bearpi-hm_nano/tree/master/applications/BearPi/BearPi-HM_Nano/docs/quick-start
OpenHarmony 知识体系共建开发仓:https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge/blob/master/docs/co-construct_demos/README_zh.md
小熊派开发板学习路径:https://growing.openharmony.cn/mainPlay/learnPathMaps?id=19
OpenHarmony 知识体系工作组智慧家居开发样例https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_smart_home
参考资料:
第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛
电磁组直立行车参考设计方案
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