乐高直线行走小车实验报告.docxVIP

乐高小车直线行走实验实验报告一、实验目的由于乐高小车左右使用不同的伺服电机，进行直线行走命令时由于两个电机的同步误差，实际行走路线不为直线。本次实验基于小车两个舵机的偏转角度传感器，通过PID算法实现乐高小车的直线行走二、实验依据1.PID算法控制PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，它的优点在于结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而非常易于工程实现，同时通过参数的调整也可获得较好的控制效果。PID的三个参数——P（Proportional，比例）、I（Integration，积分）、D（Differentiation，微分）对时域响应的影响：P——将误差信号放大或缩小，产生控制作用，以减小误差；I——将误差不断累积，最终实现消除误差；D——获取误差的微分信息，反映偏差的变化趋势（变化率），能在系统产生大的误差变化前产生控制作用，从而加快系统的响应，减小调节时间。PID结构框图： PID控制律写成如下形式：或  在计算机控制系统中采用的是数字PID，因为计算机控制实际上是采样控制，用一系列采样点kT表示连续时间t，用和式代表积分，用增量代替微分，以进行对PID控制率的离散化。数字PID有两种控制方式：位置式PID控制和增量式PID控制。 (1).位置式PID控制： (2).增量式PID控制：  本次实验采取的是位置式PID控制。对本次实验来说，e(k)部分为采样时刻两轮角位移之差0.004（e1-e3）；[e(k)-e(k-1)]为两次采样误差之差，即对误差导数的离散化，作用是消除小车惯性的影响；为各个采样误差的累加，即对误差积分的离散化，作用是消除小车行进时的累积误差。各误差系数取经验数值，其中KP=500,KI=4,KP=250.对本次实验来说，因为小车走的是直线，所以小车惯性对实验目的的影响不是很大，所以取偏小的数值。2.小车传感器本次实验使用的小车传感器有超声波传感器及电机角位移传感器，其中角位移传感器参与程序的控制，超声波传感器只做数据的采样分析。角位移传感器得到的物理量为电机的角位移，而无法直接得出电机的转速，故将前后两次采样的比较作为小车速度误差参与分析。三、实验过程基于以上理论，利用小车自带的可视化编程系统进行编程。其中超声波数据采样间隔为0.01秒，采样时间长度为6秒。所编程序如图1图1实验程序将小车放于前方有障碍物的跑道上，启动小车，待小车发出声音时表示采样完毕，取回小车，采集车内数据。四、实验结果分析对小车行走路径进行观察，发现小车行走路径已非常接近直线。小车采样的物理量为小车与障碍物间的距离，所以首先对数据进行倒向，得蓝色折线，为小车的位移量。（图2）对蓝色折线数值进行取均值与拟合，得到一条光滑直线（图3）对黄色直线进行求导，得小车的平均速度（图4）读数为14.33cm/s将图线进行汇总，得图5其中上线为原始折线，中线为小车速度，下线为原始折线的倒相。五、实验结论1.PID算法从多个层次进行对系统的反馈控制，依据不同的控制需要可以对各误差系数进行调整。如本次实验中惯性影响较小时可以取较小的KD,而对小车循线实验则需取较小累积误差系数KI（小数点后两位）。而一般KP为最大。2.本次实验结果显示小车行走路径符合要求，控制程序对小车路径进行了有效的修正，体现了PID算法的威力。