SLAM+语音机器人DIY系列：差分底盘设计——5.底盘PID控制参数整定

Posted 2021-02-10 hiram-zhang

摘要                                            

运动底盘是移动机器人的重要组成部分，不像激光雷达、IMU、麦克风、音响、摄像头这些通用部件可以直接买到，很难买到通用的底盘。一方面是因为底盘的尺寸结构和参数是要与具体机器人匹配的；另一方面是因为底盘包含软硬件整套解决方案，是很多机器人公司的核心技术，一般不会随便公开。出于强烈的求知欲与学习热情，我想自己DIY一整套两轮差分底盘，并且将完整的设计过程公开出去供大家学习。说干就干，本章节主要内容：

1.stm32主控硬件设计

2.stm32主控软件设计

3.底盘通信协议

4.底盘ROS驱动开发

5.底盘PID控制参数整定

6.底盘里程计标

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5.底盘PID控制参数整定            

我们的miiboo机器人底盘的stm32控制板中已经内置了整定好的PID参数，如果选用我们提供的控制板和电机，一般情况下是不需要整定PID的。

对于想体验一下PID参数整定过程或将我们的miiboo机器人底盘的stm32控制板应用到其他地方的朋友，这里给出了整定PID的整个操作过程和思路，方便大家学习和更深层次的研究。首先，对PID三个参数定性的分析，先有个感性的认识，如图49。

（图49）PID参数定性分析

其次，由于我们的miiboo机器人底盘的stm32控制板中采用的是增量式PID，所以这里对增量式PID参数的特殊性进行一些说明，如图50。

（图50）离散域位置式PID与增量式PID数学表达式

位置型PID的参数整定过程一般是，先整定KP，然后整定KI，最后整定KD；对比位置型PID与增量型PID的数学表达式，可以发现位置型KP和增量型KI一样，位置型KI和增量型KD一样，位置型KD和增量型KP一样，如图51。这样，增量型PID应该先整定KI，然后整定KD，最后整定KP。这一点需要特别注意，弄错顺序的话会发现整定规律完全不适用的。

（图51）增量式PID参数特殊性说明

在机器人上进行具体PID整定操作之前，先对整定原理做一些讲解。下面的表述是针对增量型PID的，即KI为比例参数、KD为积分参数、KP为微分参数。这里使用试凑法对miiboo机器人底盘的增量PID参数进行整定：

第1步：

首先只整定比例部分。比例系数KI由小变大，观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。系统若无静差或静差已小到允许范围内，并且响应效果良好，那么只须用比例调节器即可。

第2步：

若稳态误差不能满足设计要求，则需加入积分控制。整定时先置KD为较小值，并将经第1步整定得到的KI减小些( 如缩小为原值的0.8倍 )，然后增大KD，并使系统在保持良好动态响应的情况下，消除稳态误差。这种调整可根据响应曲线的状态，反复改变KI及KD，以期得到满意的控制过程。

第3步：

若使用比例-积分调节器消除了稳态误差，但动态过程仍不能满意，则可加入微分环节。在第2步整定的基础上，逐步增大KP，同时相应地改变KI和KD，逐步试凑以获得满意的调节效果。

原理了解后，就要到实际的miiboo机器人上进行整定了，首先需要将底盘的DATA-uart2与DEBUG-uart1串口连接到机器人的主板树莓派3中，并确保被树莓派识别的串口设备号为底盘驱动设置的值，如果串口号不匹配需要先进行匹配，关于这部分内容将在miiboo机器人SLAM导航中做更详细的展开。然后，需要启动底盘控制节点、底盘调试节点、键盘控制节点。

#打开终端，启动底盘控制节点
roslaunch miiboo_bringup minimal.launch 

#再打开一个终端，启动底盘调试节点，按提示输入命令
roslaunch miiboo_bringup pid_set.launch

#再打开一个终端，键盘控制节点
rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

#再打开一个终端，用rqt_plot对底盘速度曲线进行绘制，指定曲线数据来源的topic
rosrun rqt_plot rqt_plot

键盘控制节点teleop_twist_keyboard需要通过apt-get命令来安装，rqt_plot是ROS提供的绘图工具，关于这些的具体使用方法将在miiboo机器人SLAM导航中做更详细的展开。

最后，就是通过观察速度曲线，按照试凑法的步骤，在底盘调试节点的终端中输入相应的kp、ki、kd参数，不断重复这个过程直到速度曲线达到一个比较满意的形状。rqt_plot速度曲线的样子如图52所示。

（图52）rqt_plot速度曲线