PID-Anpassungsservo: Verabschieden Sie sich von Jitter und stabilisieren Sie den Roboter in drei Schritten

Haben Sie jemals eine Situation erlebt, in der der Roboterarm, den Sie sorgfältig gebaut haben, immer wieder zittert, wenn er etwas greift, wie zum Beispiel bei einem Parkinson-Patienten? Oder schwankte der von Ihnen gebaute Drohnen-Gimbal möglicherweise nach links und rechts im Wind und das Bild war verschwommen, als würden Sie einen Katastrophenfilm drehen?

Dahinter verbirgt sich häufig das „Gehirn“ des Lenkgetriebes, dessen Steuerungsprogramm ein Problem darstellt. Darüber hinaus wurde der Kernalgorithmus, der die Stärke und Genauigkeit des Lenkgetriebes steuert, nämlich die PID-Einstellung, nicht richtig angepasst. Lassen Sie sich von diesen drei Buchstaben nicht einschüchtern. Es handelt sich dabei nicht um einen unverständlichen Zauber, sondern um eine äußerst heikle „Balance-Technik“. Heute nehmen wir die am häufigsten verwendetenServoAls Beispiel, um das Geheimnis der PID-Einstellung gründlich zu analysieren, damit Ihr Roboter von „zuckend“ auf „sanft“ umschalten kann.

Tipps zum Schreiben von Artikeln: Proportionalkoeffizient

Wir müssen verstehen, wie das Lenkgetriebe funktioniert. Sie geben ihm eine Anweisung, nämlich „in die 90-Grad-Position drehen“; Der darin befindliche Motor dreht sich wie verrückt und treibt dadurch den Zahnradsatz und die Abtriebswelle an. Gleichzeitig erkennt ein als „Potentiometer“ bezeichneter Sensor stets den tatsächlichen Winkel der Welle; Wenn der tatsächliche Winkel noch nicht 90 Grad erreicht hat, fordert die Steuerung den Motor auf, mit einer maximalen Ausgangsleistung von einigen Einheiten pro Sekunde vorwärts zu arbeiten. Sobald es die Zielposition überschreitet, muss es zurückfahren; Ohne einen exquisiten Einstellmechanismus springt es im Bereich nahe der Zielposition immer wieder hin und her. Dies ist das „Jitter“-Phänomen, das wir sehen.

Die PID-Regelung ist eine außergewöhnliche Fähigkeit zur Bewältigung dieses Problems des „wiederholten horizontalen Sprungs“. P, I und D sind die Abkürzungen für Proportion, Integral und Differential. Die drei sind wie eine Gruppe von Experten, die zusammenarbeiten, um den Befehl „PWM-Signal“ auszusenden, um dem Lenkgetriebe mitzuteilen, wie viel Kraft es aufwenden und in welche Richtung es drehen soll.

Werfen wir zunächst einen Blick auf das kritischste und wichtigste Element des Teams, nämlich den Proportionalkoeffizienten, kurz P genannt. Die von ihm ausgeführte Arbeit weist die einfachsten, direktesten und gröbsten Merkmale auf: die Beurteilung der Stärke der Ausgabe anhand des aktuellen Fehlers. Was nennt man also einen Fehler? Der sogenannte Fehler ist die Differenz, die man durch Subtraktion des „Zielwinkels“ vom „aktuellen Winkel“ erhält. Angenommen, Sie planen eine Drehung um 90 Grad und befinden sich im Moment bei 0 Grad, dann beträgt der Fehler 90 Grad. Die Funktion von P ist: Die Ausgabe ist gleich dem Fehler multipliziert mit dem Proportionalkoeffizienten. Je größer der Koeffizient, desto größer die Leistung.

Ihr Roboter muss beispielsweise in der Lage sein, ein Bein flink zu heben. Wenn der P-Wert zu klein eingestellt ist, ist es so, als würde man mit einer weichen Nudel einen Stein heraushebeln. Der von der empfangene BefehlServoist „langsam und sanft zu heben“. Dadurch kann das Bein gar nicht angehoben werden oder die Bewegung ist langsam wie ein Faultier. Wenn der P-Wert zu groß eingestellt ist, ist es so, als ob Sie Ihre ganze Kraft aufwenden müssten, um eine Mücke zu bekämpfen, die auf Ihrem Arm gelandet ist – die Kraft ist wirklich zu groß. Wenn dieServonähert sich fast 90 Grad, rast immer noch mit wahnsinniger Geschwindigkeit hinüber, erreicht mit einem Knall die Obergrenze, prallt dann zurück und rast erneut hinüber, was zu heftigen Erschütterungen führt. Bei einem geeigneten Proportionalkoeffizienten kann das Servo 80 % seiner Kraft nutzen, um schnell auf das Ziel zuzulaufen und bei Annäherung abzubremsen.

F/A: Was passiert mit dem Servo, wenn der Proportionalkoeffizient zu groß ist?

A: Es vibriert heftig oder macht scharfe Geräusche, und der Kraftüberschuss führt dazu, dass es an der Zielposition hin und her schwingt. In schweren Fällen kann das Getriebe beschädigt werden.

Daher besteht der erste Schritt zur Anpassung der PID darin, alleine zu kämpfen und nur P anzupassen. Setzen Sie sowohl I als auch D auf 0. Erhöhen Sie den P-Wert schrittweise von klein nach groß und achten Sie gleichzeitig auf die Rückmeldung des Lenkgetriebes. Sie werden Zeuge eines klaren Evolutionsprozesses: Wenn P extrem klein ist, ist die Bewegung langsam, immer nur wenige Grad vom Ziel entfernt (dies wird als „statische Differenz“ bezeichnet); Mit zunehmendem P wird die Bewegung schneller, in der Nähe des Zielpunkts kommt es jedoch zu schwachen Erschütterungen. Wenn P weiter ansteigt, verstärkt sich das Zittern und entwickelt sich zu heftigen Schwingungen. Der Sweet Spot erscheint normalerweise kurz vor dem kritischen Wert, wenn die Vibration gerade begonnen hat, leicht zu zittern, aber noch nicht außer Kontrolle geraten ist. Erinnern Sie sich an dieses Gefühl, es ist der Grundstein für Ihr gesamtes nachfolgendes Debuggen.

Schnelle Wörter zum Schreiben von Artikeln: integrale Elemente

Allerdings stößt man mit P allein schnell auf einen Engpass. Wenn Ihr Roboter beispielsweise einen schweren Gegenstand hält, muss das Servo im 90-Grad-Winkel gehalten werden, ohne dass es sich löst. Aufgrund der Schwerkraft wird ein kontinuierlicher Fehler erzeugt. Die P-Regelung weist folgende Eigenschaften auf: Je größer der Fehler, desto größer der erforderliche Aufwand. Um dieser Schwerkraft entgegenzuwirken, ist jedoch eine kontinuierliche „Korrekturkraft“ erforderlich. Wenn der Fehler jedoch extrem klein ist, ist auch die ausgeübte Kraft sehr gering, was dazu führt, dass das Servo nie genau 90 Grad erreichen kann und möglicherweise bei der Position von 89,5 Grad bleibt. Dies ist der zuvor erwähnte „statische Fehler“.

Zu diesem Zeitpunkt war der zweite Experte des Teams, der als I bezeichnete Punktspieler, an der Reihe, sein Debüt zu geben. Die Rolle von I ist wie die eines Buchhalters mit einem extrem guten Gedächtnis. Seine Aufgabe ist es, alle vergangenen Fehler zu addieren. Solange der Fehler besteht, wird sich diese kumulierte Summe weiter erhöhen. Anschließend wird dieses „Hauptbuch“ ebenfalls mit einem Koeffizienten multipliziert und zum endgültigen Ausgabebefehl addiert.

Dieser Mechanismus ist einfach erstaunlich! Wenn das Lenkgetriebe aufgrund der Schwerkraft 89,5 Grad erreicht, tritt ein geringfügiger Fehler von 0,5 Grad auf. Zu diesem Zeitpunkt gibt P zu diesem Zweck möglicherweise nur eine schwache Kraft aus, die der Schwerkraft nur schwer widerstehen kann. Allerdings werde ich mich an den Fehler von 0,5 Grad erinnern. Nach einer Sekunde werden die 0,5 Grad akkumuliert und zu 1, Grad, und nach zwei Sekunden werden 1,5 Grad usw. Der akkumulierte Wert steigt weiter an, und auch die zusätzliche Kraftabgabe nimmt weiter zu. Letztendlich wird dieser stets vorhandene „zusätzliche Schub“ den Einfluss der Schwerkraft präzise überwinden, das Servo zwangsweise auf präzise 90 Grad schieben und in diesem Winkel arretieren.

F/A: Welche Probleme kann der Integralterm lösen?

A: Beseitigen Sie statische Fehler. Es sorgt für eine kontinuierliche Kraft, indem es kleine Abweichungen akkumuliert, sodass das Lenkgetriebe äußeren Einflüssen standhalten und letztendlich die präzise Position erreichen kann.

Allerdings bin ich auch ein gefährlicher Charakter. Wenn der I-Wert zu groß eingestellt ist oder ein anfänglicher Fehler im System vorliegt, z. B. wenn er nicht sofort beim Einschalten auf 0 steht, dehnt sich die akkumulierte Summe schnell aus, was dazu führt, dass das Servo eine enorme „Überkorrektur“-Kraft ausgibt, was zu starkem Überschwingen und langfristig heftigen Schwingungen führt, die als „integrale Sättigung“ bezeichnet werden. Eine häufigere Situation ist, dass Ihr Roboterarm an etwas hängen bleibt, der Fehler immer da ist und ich mich wie verrückt ansammele. Wenn das Hindernis plötzlich verschwindet, wird diese enorme kumulative Kraft sofort freigesetzt, wodurch das Servo herausfliegt, als ob es herausgeschleudert würde, was äußerst gefährlich ist.

Tipps zum Schreiben von Artikeln: Differenzielle Begriffe

In diesem Moment reagiert unser Servo sofort, wenn P angesteuert wird, und positioniert mit Hilfe von I genau, was ziemlich gut aussieht. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass es angesichts bestimmter sich schnell ändernder Szenarien immer noch unzureichend erscheint. Stellen Sie sich vor, Ihre Drohne schwebt in einem starken Wind oder Ihr Rennroboter muss sofort eine Notbremsung durchführen und wenden. Zu diesem Zeitpunkt schienen die Reaktionen von P und mir beide etwas „langsam“ zu sein. Dies liegt daran, dass sie „nachträglich“ angepasst wurden. Was wir brauchen, ist die Fähigkeit, vorherzusehen.

Dies ist die Denkfabrik im Team, genannt Differentialterm, kurz D. Die Rolle von D ist wie die eines Propheten. Es spielt keine Rolle, wie groß der aktuelle Fehler ist oder wie viele Fehler sich in der Vergangenheit angesammelt haben. Dabei kommt es nur auf eines an: wie schnell sich der Fehler ändert. Es berechnet die Änderungsrate des Fehlers, mit anderen Worten die „Steigung des Fehlers“. Wenn sich der Fehler schnell ausdehnt, beispielsweise wenn das Lenkgetriebe schnell vom Ziel abweicht, übt D eine große Rückwärtskraft aus, ähnlich einer Notbremse, um diese Situation zu stoppen. Wenn der Fehler bei sehr hoher Geschwindigkeit schrumpft, das heißt, dass sich das Servo mit hoher Geschwindigkeit auf das Ziel zubewegt, dann gibt D auch eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus und tritt im Voraus „auf die Bremse“, um ein Überschwingen zu verhindern.

Lassen Sie uns eine clevere Metapher verwenden. Du fährst zu einem Treffen mit einem Freund. P bedeutet, dass Sie das Gaspedal kontrollieren und je weiter Sie gehen, desto stärker drücken Sie es. Wenn Sie auf die rote Ampel warten, schieben Sie das Auto langsam nach vorne, um den Abstand zur Haltelinie zu verringern. Dies ist eine Art Operation. Ein Verhalten in der Wartephase; und D: Wenn Sie vor sich eine rote Ampel sehen, lassen Sie das Gaspedal los und betätigen Sie vorsichtig die Bremsen. Das ist so ein Betriebsverhalten. Es sollte klar sein, dass es nicht darum geht, bereits aufgetretene Fehler zu korrigieren, sondern darum, das Auftreten von Fehlern zu verhindern.

Im Bereich der Lenkgetriebesteuerung ist die Rolle von D äußerst kritisch. Es kann das „Überschwingen“ und „Schwingen“, das durch übermäßiges P oder äußere Einwirkungen verursacht wird, erheblich unterdrücken. Es gibt zum Beispiel einen Roboterarm, der sich schnell von Punkt zu Punkt bewegen muss. Wenn es kein D gibt, kann es wie ein Betrunkener sein, der mit einem „Klang“ den Zielpunkt trifft und dann davon abprallt; aber mit dem passenden D kann er bei der Annäherung an den Zielpunkt auf elegante Weise abbremsen und federleicht herabsinken.

F/A: Was ist die Hauptfunktion des Differentialterms?

A: Überschwingen und Schwingungen unterdrücken. Es prognostiziert den Fehlertrend und bremst im Voraus, wodurch das Lenkgetriebe „Vorhersehbarkeit“ erhält und die Aktion sanfter wird.

Bisher ist das Expertenteam von PID komplett. P trägt die Macht der „Gegenwart“, I kontrolliert die Konten der „Vergangenheit“ und D kontrolliert den Trend der „Zukunft“. Die drei nutzen Hochleistungsservos wie z.BkpowerServo und die zugehörige Debugging-Software ermöglichen es Ihnen, jeden Parameter wie bei einem Stimmgerät äußerst fein einzustellen.

Natürlich fühlt sich das, was man auf Papier bekommt, letztendlich nicht tief genug an. Der eigentliche Debugging-Prozess erfolgt häufig nach einem klassischen Prozess. Wir nennen diesen Prozess die „dreistufige Stabilisierungsmethode“.

Schritt 1: I und D auf Null setzen. Erhöhen Sie ausgehend von 0 langsam den Wert von P, bis das Servo beginnt, leichte, kontinuierliche Vibrationen mit gleicher Amplitude zu erzeugen. Merken Sie sich diesen P-Wert, halbieren Sie ihn dann und verwenden Sie diesen halbierten Wert als Ihren Start-P-Wert. Dieser „P-Wert der Schwingung“ ist ein Schlüsselmerkmal Ihres Systems.

Behalten Sie im zweiten Schritt den P-Wert des ersten Schritts bei, erhöhen Sie langsam den I-Wert von 0 und erhöhen Sie I, bis das Servo die statische Differenz beseitigt und nach Störungen durch äußere Kräfte (z. B. Drehen des Servoarms mit dem Finger) schnell und ohne Vibrationen in seine ursprüngliche Position zurückkehren kann. Wenn es stark zittert, bedeutet das, dass ich zu groß bin. Reduzieren Sie es.

F/A: Was ist die richtige Reihenfolge für das PID-Debugging?

A: Passen Sie zuerst P an die kritische Schwingung an und reduzieren Sie sie dann um die Hälfte. Passen Sie dann I an, um die statische Differenz zu beseitigen, und passen Sie schließlich D an, um Nachbeben zu unterdrücken, und optimieren Sie Schritt für Schritt in der PID-Reihenfolge.

In drei Schritten haben P und ich zunächst im ersten Schritt dafür gesorgt, dass Ihr Servo schnell und präzise die entsprechende Position erreicht. Allerdings kann es immer noch zu leichten „Nicken“ oder „Nachbeben“ kommen. Erhöhen Sie dann im zweiten Schritt zu diesem Zeitpunkt den D-Wert von 0 aus, und Sie werden feststellen, dass mit zunehmendem D das letzte, winzige Zittern sehr schnell verschwindet und die gesamte Aktion extrem klar und sauber wird. Seien Sie schließlich im dritten Schritt vorsichtig. Wenn der D-Wert zu groß ist, reagiert das Servo träge und es ertönt sogar ein hochfrequenter Schrei, der endet.

Ich werde Ihnen einen wichtigen Punkt mitteilen, den die Besten in fast allen Bereichen stillschweigend verstehen. Das heißt, die perfekte PID ist keine Reihe fester Zahlen, sondern eine künstlerische Methode, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Es gibt keine „einheitlichen Parameter“, die für alle Situationen gelten. Sie müssen dynamische Anpassungen basierend auf der Belastung des Servos, den Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit und sogar den Temperaturänderungen der Umgebung vornehmen. Für die von Studierenden durchgeführten Projekte ist es wichtiger, „Funktionen zu erfüllen und Stabilität zu gewährleisten“ als „den durch die reine Theorie ermittelten optimalen Zustand“ anzustreben. Ein Roboter, der sich leicht über den erwarteten Verstellbereich hinaus bewegt, aber nie stecken bleibt, ist weitaus effektiver als ein Roboter, der theoretisch genau ist, aber oft heftig vibriert.

Handlungsvorschläge :

Nehmen Sie in diesem Moment bitte sofort Ihren Roboter in die Hand und starten Sie Ihre Servo-Debugging-Software. Beginnen Sie mit dem P-Wert und verwenden Sie die sogenannte „Drei-Schritte-Methode“, um die Änderungen in jedem Parameter persönlich zu erleben. Nehmen Sie zunächst mit Ihrem Mobiltelefon die aktuelle Jitter-Situation mit einem Zeitlupenvideo auf und notieren Sie dann die P/I/D-Werte, die Sie in jeder Runde anpassen, und die entsprechenden Auswirkungen. Glauben Sie mir, wenn Sie persönlich einen Roboter in einem „epileptischen“ Zustand so anpassen, dass er reibungslos und natürlich ist, werden Sie ein so großes Erfolgserlebnis verspüren, das Ihnen kein vorgefertigter Code geben kann. Verabschieden Sie sich von heute an vom Zittern und sorgen Sie dafür, dass Ihr Servo wirklich jeden Ihrer Befehle versteht.