如何使用VOFA+?一款好用的上位机软件(VOFA+的三种数据传输协议)——以PID调参为例

这里写目录标题

  • 起因
  • 一、VOFA+支持的三种数据传输协议
  • RawData协议格式
  • 1、使用方法
  • 2、示例
  • 3、测试
  • firewater协议格式
  • 1、使用方法
  • 2、数据格式
  • 3、示例
  • 4、测试
  • justfloat协议格式
  • 1、使用方法
  • 2、数据格式
  • 3、示例
  • 4、测试
  • 三种协议使用总结
  • 二、PID调参
  • PID位置式
  • 调参记录
  • kp
  • ki
  • kd
  • 三、总结
  • VOFA+官方手册
  • 起因

    因为在学习PID算法,程序里并不能很好的展示调参效果,于是使用VOFA+,伏特加上位机软件来调试PID,可以很好的展示各个数据的直观曲线形式,特别适合数据变化较大的数据进行直观显示

    我们在下位机(单片机里进行调节参数),在上位机里查看数据变化的曲线,根据曲线进行动态调节参数,从而达到我们的目的

    本文以调节PID位置式,以PID速度环闭环调试参数为例,来给大家带来如何使用VOFA+软件,来达到我们PID速度环闭环

    一、VOFA+支持的三种数据传输协议

    Vofa支持3种数据流方式:分别为:RawData、firewater、justfloat

    1. RawData:RawData协议适用于不需要解析数据,仅仅查看字节流的需求。RawData不做采样数据解析。RawData不做采样数据解析。就相当于普通的串口助手
    2. firewater:本协议是CSV风格的字符串流,直观简洁,编程像printf简单。但由于字符串解析消耗更多的运算资源(无论在上位机还是下位机),建议仅在通道数量不多、发送频率不高的时候使用
    3. justfloat:本协议是小端浮点数组形式的字节流协议,纯十六进制浮点传输,节省带宽。此协议非常适合用在通道数量多、发送频率高的时候

    RawData协议格式

    RawData:协议适用于不需要解析数据,仅仅查看字节流的需求。【可以直接当串口助手使用】
    如果您只是想将本软件当成串口助手使用,选择RawData协议,可以保证接收到什么打印什么。

    1、使用方法

    意思是发什么,显示什么,可以字符串显示,可以Hex显示
    选择RawData数据引擎

    2、示例

    stm32下位机程序示例

    void RawData_Test(void)		//RawData数据协议  直接当串口助手使用 测试是否可行
    {
        u1_SendByte(0x40);
        u1_SendByte(0x41);
        u1_SendByte(0x42);
        u1_SendByte(0x43);
    	u1_SendByte(0x0d);
    	u1_SendByte(0x0a);
    }
    

    3、测试

    测试成功,单片机发什么,就接收什么,就相当于一个串口助手


    firewater协议格式

    firewater:本协议是CSV风格的字符串流,直观简洁,编程像printf简单。但由于字符串解析消耗更多的运算资源(无论在上位机还是下位机),建议仅在通道数量不多、发送频率不高的时候使用

    1、使用方法

    FireWater遇到换行才会打印数据,而且数据之间用逗号隔开,换行打印数据,并且显示数据曲线

    2、数据格式

     "<any>:ch0,ch1,ch2,...,chN\n"
    

    ● any和冒号可以为空,但换行(\n)不可省略;
    ● any不可以为"image",这个前缀用于解析图片数据;
    此处\n为换行,并非指字符斜杠+字符n
    \n也可以为\n\r,或\r\n

    3、示例

    说白了,就是/n就会打印数据,逗号隔开通道
    一个通道就

    数据 \n
    这就会显示这个通道的曲线,并且动态显示

    两个通道

    数据1 ,数据2 \n
    代表两个通道,ch1和ch2,并将数据变化曲线动态显示

    //FireWater数据协议  换行结尾  /n或/r/n  逗号分隔通道
    //指定三个通道
    float a=5,b=10,c=20;
    void FireWater_Test(void)	
    {
    	a+=100;
    	b+=50;
    	c+=10;
        u1_printf("%.2f,%.2f,%.2f\n",a,b,c);
    }
    

    4、测试

    测试成功 三条通道都成功输出波形


    justfloat协议格式

    justfloat:本协议是小端浮点数组形式的字节流协议,纯十六进制浮点传输,节省带宽。此协议非常适合用在通道数量多、发送频率高的时候。

    1、使用方法

    小端浮点数组的形式传输数据,适用于通道数量多,且发送频率高的场景

    2、数据格式

    #define CH_COUNT <N>
    struct Frame {
        float ch_data[CH_COUNT];
        unsigned char tail[4]{0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};
    };
    

    ● ch_data为小端浮点数组,里面放着需要发送的CH_COUNT个通道。
    ● tail为帧尾。

    说白了就是,数据格式就是

    浮点数据1,浮点数据2…帧尾
    这里的帧尾是 0x00, 0x00, 0x80, 0x7f

    3、示例

    大家可以看示例,发送4个数据,把浮点数转换成了4个字节数据,然后加上帧尾。

    我们如何把浮点数据与4个单字节转换?
    大家可以看下面这篇链接:
    浮点数据与4个单字节的转换

    有了上面的认识之后,我们已经知道了如何将浮点数据转换为4个单字节的数据

    所以我们在使用justfloat协议,把要传入的浮点数,转换为4个字节,然后帧尾结束就可以了这样一个数据就发送到上位机了上位机根据协议进行解析,将数据动态显示

    /*
    要点提示:
    1. float和unsigned long具有相同的数据结构长度
    2. union据类型里的数据存放在相同的物理空间
    */
    typedef union
    {
        float fdata;
        unsigned long ldata;
    } FloatLongType;
    
    
    /*
    将浮点数f转化为4个字节数据存放在byte[4]中
    */
    void Float_to_Byte(float f,unsigned char byte[])
    {
        FloatLongType fl;
        fl.fdata=f;
        byte[0]=(unsigned char)fl.ldata;
        byte[1]=(unsigned char)(fl.ldata>>8);
        byte[2]=(unsigned char)(fl.ldata>>16);
        byte[3]=(unsigned char)(fl.ldata>>24);
    }
    
    void JustFloat_Test(void)	//justfloat 数据协议测试
    {
        float a=1,b=2;	//发送的数据 两个通道
    	
    	u8 byte[4]={0};		//float转化为4个字节数据
    	u8 tail[4]={0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};	//帧尾
    	
    	//向上位机发送两个通道数据
    	Float_to_Byte(a,byte);
    	//u1_printf("%f\r\n",a);
    	u1_SendArray(byte,4);	//1转化为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x80 0x3F
    	
    	Float_to_Byte(b,byte);
    	u1_SendArray(byte,4);	//2转换为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x00 0x40 
    	
    	//发送帧尾
    	u1_SendArray(tail,4);	//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f
    
    }
    

    4、测试

    测试结果如下,上位机解析成功

    我发送的1和2数据,加上帧尾,这就是一个完整的数据帧

    完整的数据帧是这样子

    00 00 80 3F 00 00 00 40 00 00 80 7F
    分别表示 1 2 帧尾

    可以看到两条数据曲线

    三种协议使用总结

  • 大家如果只是想把VOFA+当普通的串口助手,可以选择RawData协议

  • 大家如果对于数据传输通道数量不多、发送频率不高,而又想动态显示数据曲线的时候,可以选择firewater协议

  • justfloat协议适用于通道数量多、发送频率高的时候,这是和firewater协议的最本质区别。


  • 二、PID调参

    由于首先学习的是PID的位置式,所以本文以PID位置式来调节速度环,大家可以看看这个VOFA+上位机软件,直观感受一下

    PID位置式

    计算目标和实际的误差,经过pid计算后得到输出,返回

    float PID_realize(float temp_val)	//tem_val为实际速度
    {
        //计算目标值与实际值的误差
       pid.err=pid.target_val-temp_val;
       //误差累积
       pid.integral+=pid.err;
       //PID算法实现
       pid.actual_val=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);
       //误差传递
       pid.err_last=pid.err;
       //返回当前实际值
       return pid.actual_val;
    }
    

    调参记录

    周期读取脉冲数 这里定的是10ms
    设置目标速度30(这里脉冲数近似速度) 读取到的脉冲数作为pid输入
    经过pid计算后的out传入pwm设置占空比

    kp

  • 1、判断kp极性
  • kp= -10

    绿线表示pid运算得出的结果值
    红线表示实际速度
    蓝线表示目标速度

    使用上位机查看曲线,可以看到,并没有很快的接近目标值,并且输出以最大转速,说明kp极性反了

  • 调节kp
  • kp=10

    可以看到这次的极性正确了,曲线迅速接近目标速度,达到25

    再次调节kp

    kp=20

    可以看到,这一次实际速度更加接近目标值了,但是实际速度曲线有些抖动,这说明我们应该是到kp的极限了,所以我们往下调一下

    再次调节kp

    kp=15

    这次看到kp=15的时候,和20的时候,实际速度差不多,而且pid输出的曲线也更加平滑了,所以我们就取kp=15

    但是无论怎么调,我们都无法达到目标值,所以这个时候就需要积分,即ki

    ki

    ki=0.5

    可以看到实际值迅速到达目标值,且调参效果较好,我们再加加ki看看

    调节ki

    ki=1.0

    可以看到,这与我们期望的速度相同,大体实现速度环要求,上下误差2,速度较为平稳

    kd

    试试kd

    kd=1.0

    调节kd后,曲线震荡的周期变快了,我们可以和上一个曲线对比

    看,曲线的震荡频率加快

    虽然目前还没有完全理解这几个参数,但大体上了解这个参数应该如何调节,这个参数实际上使用VOFA+可视化曲线一边调一遍看,调节就很好调了

    注意我这里只是以VOFA+调节PID参数直观显示为例,如果调节错误,还请大家多多包含。

    三、总结

    本文总结了VOFA+的使用,以及三种数据传输协议的使用方法和示例

    大家可以直接使用我的示例稍微修改一下就可以直接使用VOFA+上位机软件了

    然后展示了如何使用VOFA+软件调节PID参数,很明显这里的PID参数调节还存在很多问题

    目前还在学习中

    如果错误,欢迎指出

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