摘要

運動底盤是移動機器人的重要組成部分，不像激光雷達、IMU、麥克風、音響、攝像頭這些通用部件可以直接買到，很難買到通用的底盤。一方面是因為底盤的尺寸結構和參數是要與具體機器人匹配的；另一方面是因為底盤包含軟硬件整套解決方案，是很多機器人公司的核心技術，一般不會隨便公開。出於強烈的求知欲與學習熱情，我想自己DIY一整套兩輪差分底盤，並且將完整的設計過程公開出去供大家學習。說干就干，本章節主要內容：

1.stm32主控硬件設計

2.stm32主控軟件設計

3.底盤通信協議

4.底盤ROS驅動開發

5.底盤PID控制參數整定

6.底盤里程計標

5.底盤PID控制參數整定

我們的miiboo機器人底盤的stm32控制板中已經內置了整定好的PID參數，如果選用我們提供的控制板和電機，一般情況下是不需要整定PID的。

對於想體驗一下PID參數整定過程或將我們的miiboo機器人底盤的stm32控制板應用到其他地方的朋友，這里給出了整定PID的整個操作過程和思路，方便大家學習和更深層次的研究。首先，對PID三個參數定性的分析，先有個感性的認識，如圖49。

（圖49）PID參數定性分析

其次，由於我們的miiboo機器人底盤的stm32控制板中采用的是增量式PID，所以這里對增量式PID參數的特殊性進行一些說明，如圖50。

（圖50）離散域位置式PID與增量式PID數學表達式

位置型PID的參數整定過程一般是，先整定KP，然后整定KI，最后整定KD；對比位置型PID與增量型PID的數學表達式，可以發現位置型KP和增量型KI一樣，位置型KI和增量型KD一樣，位置型KD和增量型KP一樣，如圖51。這樣，增量型PID應該先整定KI，然后整定KD，最后整定KP。這一點需要特別注意，弄錯順序的話會發現整定規律完全不適用的。

（圖51）增量式PID參數特殊性說明

在機器人上進行具體PID整定操作之前，先對整定原理做一些講解。下面的表述是針對增量型PID的，即KI為比例參數、KD為積分參數、KP為微分參數。這里使用試湊法對miiboo機器人底盤的增量PID參數進行整定：

第1步：

首先只整定比例部分。比例系數KI由小變大，觀察相應的系統響應，直到得到反應快，超調小的響應曲線。系統若無靜差或靜差已小到允許范圍內，並且響應效果良好，那么只須用比例調節器即可。

第2步：

若穩態誤差不能滿足設計要求，則需加入積分控制。整定時先置KD為較小值，並將經第1步整定得到的KI減小些( 如縮小為原值的0.8倍 )，然后增大KD，並使系統在保持良好動態響應的情況下，消除穩態誤差。這種調整可根據響應曲線的狀態，反復改變KI及KD，以期得到滿意的控制過程。

第3步：

若使用比例-積分調節器消除了穩態誤差，但動態過程仍不能滿意，則可加入微分環節。在第2步整定的基礎上，逐步增大KP，同時相應地改變KI和KD，逐步試湊以獲得滿意的調節效果。

原理了解后，就要到實際的miiboo機器人上進行整定了，首先需要將底盤的DATA-uart2與DEBUG-uart1串口連接到機器人的主板樹莓派3中，並確保被樹莓派識別的串口設備號為底盤驅動設置的值，如果串口號不匹配需要先進行匹配，關於這部分內容將在miiboo機器人SLAM導航中做更詳細的展開。然后，需要啟動底盤控制節點、底盤調試節點、鍵盤控制節點。

#打開終端，啟動底盤控制節點
roslaunch miiboo_bringup minimal.launch 

#再打開一個終端，啟動底盤調試節點，按提示輸入命令
roslaunch miiboo_bringup pid_set.launch

#再打開一個終端，鍵盤控制節點
rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

#再打開一個終端，用rqt_plot對底盤速度曲線進行繪制，指定曲線數據來源的topic
rosrun rqt_plot rqt_plot

鍵盤控制節點teleop_twist_keyboard需要通過apt-get命令來安裝，rqt_plot是ROS提供的繪圖工具，關於這些的具體使用方法將在miiboo機器人SLAM導航中做更詳細的展開。

最后，就是通過觀察速度曲線，按照試湊法的步驟，在底盤調試節點的終端中輸入相應的kp、ki、kd參數，不斷重復這個過程直到速度曲線達到一個比較滿意的形狀。rqt_plot速度曲線的樣子如圖52所示。