02｜低通滤波增量式 PID：双轮速度闭环

上一节解决了“PID 公式怎样计算”，这一节把算法接入真实的双轮速度链。编码器负责测量，低通滤波抑制抖动，两个 PID 分别修正左右电机，串口曲线用于判断闭环是否正常。

本篇目标与控制链

该文件要实现的现象是：左右轮各自跟踪目标速度，同时把原始编码器速度与滤波后速度输出到串口。

左右编码器速度 → 一阶低通 → 两个增量式 PID
              → 输出限幅 → 左右电机命令
              → 串口曲线观测

文件中的 30 cm/s、40 cm/s 只出现在目标设置和注释中。若编码器模块没有完成脉冲数到线速度的换算，这些数值仍只是控制量，不能直接当作已标定物理速度。

为什么左右轮要分开控制

代码建立 pid_speed_left 和 pid_speed_right 两个实例。双轮机械阻力、电机常数、减速箱间隙和轮径很难完全一致，只用一个输出会导致直行时持续跑偏。

两个控制器允许独立目标和独立反馈：

left_output  = pid_calculate_incremental(&pid_speed_left,
                                         filtered_speed_left);
right_output = pid_calculate_incremental(&pid_speed_right,
                                         filtered_speed_right);

最终分别传给 Motor_SetSpeed()。双通道结构已经明确，但接入时仍要核对电机接口、PWM 范围和正负方向定义。

一阶低通滤波

源码对左右速度分别使用指数平滑：

filtered = alpha * raw + (1.0f - alpha) * filtered;

新值权重 alpha 越小，曲线越平滑，但响应越慢。滤波后的相位滞后会被 PID 视作“电机还没跟上”，可能推动输出继续增大。

因此滤波参数不能只靠观察曲线是否漂亮。应同时记录原始速度、滤波速度、目标值和输出，比较噪声衰减与上升时间。

滤波状态是文件级 static 变量。它会跨任务调用保留，但没有公开复位接口。模式切换、编码器故障恢复或重新起步时，旧滤波值可能短暂影响新控制过程。

PID_Init() 做了什么

初始化函数分别配置左右轮参数和输出限制，再调用 pid_set_target() 写入不同目标值。

PID_Init() 通过 pid_app.h 调用目标设置接口。接入工程时必须沿声明与链接关系确认它最终使用哪一套 PID 实现；函数同名并不能保证目标切换行为相同。

参数注释称其为实调结果，但没有记录：

• 实际控制周期；
• 轮径、减速比和编码器分辨率；
• 电池电压、车体负载和地面条件；
• 阶跃响应、稳态误差和输出饱和比例。

因此这些数值只能视为当前示例配置，不能当作可移植的调参答案。

PID_Task() 的逐步执行

任务首先读取左右编码器的 speed_cm_s，再进行独立低通。随后执行两个增量式控制器，将结果送入两个电机对象。

文件还保留了航向修正的注释代码：

// pid_set_target(&pid_speed_left,  v + output_yaw);
// pid_set_target(&pid_speed_right, v - output_yaw);

这表达了“基础速度 ± 转向修正”的差速思路，但当前代码处于注释状态，不能写成已启用的航向闭环。

任务末尾通过 my_printf() 输出目标和滤波速度。串口打印若为阻塞式，可能拉长控制周期；接入非抢占式调度器时，应降低打印频率或使用发送队列。

增量式控制器与限幅

增量式 PID 把误差变化转换成输出变化，适合连续速度调节。它仍需要三个工程条件：

1. 固定且可测的任务周期；
2. 与电机接口一致的输出上下限；
3. 故障或停车时明确复位内部输出。

若电机驱动已经饱和，而 PID 内部输出仍继续累加，解除饱和后可能出现较长恢复过程。应记录限幅前后输出，必要时加入跟踪式或条件式抗饱和。

推荐接入非抢占式调度器

速度环任务应完成一次采样和计算后立即返回：

void SpeedControlTask(void *context)
{
    Encoder_Update();
    PID_Task();
}

真实周期应由调度器定义，并和编码器测速窗口保持一致。不要在任务内调用阻塞延时，也不要每一拍打印大量文本。

启动顺序建议为：编码器有效性检查 → 低输出开环方向测试 → 单轮闭环 → 双轮闭环 → 再叠加航向或循迹修正。

常见故障定位

首次上电必须架空车轮，并从受限输出开始。具体限值只能来自电机、驱动和定时器配置，当前文件没有足够硬件证据。

接入真实小车前还要确认什么

本篇总结

• 这份文件描述的是双轮速度环应用，不是完整 PID 库。
• 左右轮独立闭环能补偿机械与电气差异。
• 低通滤波减少测速抖动，同时引入控制滞后。
• 航向差速代码仍被注释，不能视作已启用功能。
• 要把示例变成可靠模块，还需固定周期、状态复位、非阻塞观测和实车曲线。