/snowstorm_car

RTT系统智能车

Primary LanguageC

RT-Thread robot-car制作

1.小车制作仓

https://github.com/bluesky-ryan/snowstorm_car

2.官方Robort-car连接

https://github.com/RT-Thread-packages/rt-robot

3.RK3399 ROS系统部分代码地址

https://github.com/bluesky-ryan/snowstorm_ros_rk3399

概述

  • 最近有幸参加了一期RT-Thread官方发起的rt-robot car DIY活动,跟着大神们的步伐我也成功的做出了一辆麦克纳姆轮PS2遥控车,心里非常的Happy,特意记录了这个制作过程用作给小白们借鉴。
  • 不多逼逼了,来开始我们造车之旅。

选材

初次探索智能车本着节约成本和最低风险的原则,我们尽量选用现成的硬件材料。在探索成功后学会了理解了其中的原理,再根据自己的需求完全设计自己的小车。

1.主控板

我们选用淘宝成品主控板(主控芯片STM32F103RCT6)

图样:

control

2.底座

麦克纳姆轮底座,某宝多的是自行选购

样图:

car

3.电机

买底座基本都带电机,我们选用带AB编码器的1:30减速电机

样图:

motor

4.遥控

普通SONY PS2遥控30-40块钱

样图:

ps2

5.电池

选用3S 11V航模电池

样图:

batter

6.USB转串口线一根

样图:

usbtouart

核心知识点

1.RT-Thread bsp移植。

2.STM32-CubeMXs使用。

3.RTOS使用。

4.PID控制理论。

5.麦克拉姆拉控制理论。

6.简单运动模型

开发环境

  • 使用Keil V5作为编译器

  • 使用 rt-thread 最新版本

  • 使用自己移植的 bsp

详细步骤

  • BSP移植

    1. 关于BSP的移植RT-Thread官网有非常详细的文档描述:

      https://github.com/RT-Thread/rt-thread/blob/master/bsp/stm32/docs/STM32系列BSP制作教程.md

    2. 移植过程不做累述,按照官方的步骤一步一步的走即可。

    3. 先只配置控制台串口和系统呼吸灯:

      • console串口:UART2

      • 系统LED灯:PD2

  • 电机控制

    • 主控板电机驱动芯片为TI的DIV8833芯片,一颗DIV8833芯片可以驱动两个电机,我们有4个电机用到了2个芯片。芯片采用对偶PWM方波输入驱动,频率手册没写,我们先使用10KHZ。

    • STM32F103RTC6高级定时器1、8都带有对偶PWM输出,我们的主控板用的高级定时器1,悲剧的是定时器1只能输出3路对偶PWM方波和1路普通PWM方波,可是我们有4个轮子,所以最后一个轮子的对偶极只能GPIO来代替控制了。

    • 驱动逻辑表:

      1565942461038

    • 驱动资料有了逻辑也清晰了,我们接下要做的就只是按照要求输出几个PWM方波了

      • 第一步:CubMX配置定时器1为PWM对偶模式

      • 第二步:封装初始化、通道控制等电机控制接口(具体封装参照源码motor.c文件),最后给上层提供一个初始化接口,一个通道速度控制接口。

        /**
        *@ingroup motor
        *
        *初始化定时器
        *@param  none
        *@retrun none
        */
        static void moto_pwm_init(void)
        {
        
        /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 0 */
        
        /* USER CODE END TIM1_Init 0 */
        
        TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
        TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
        TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
        TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
        
        /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 1 */
        
        /* USER CODE END TIM1_Init 1 */
        htim1.Instance = TIM1;
        htim1.Init.Prescaler = 71;
        htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
        htim1.Init.Period = MOTOR_PWM_MAX - 1;
        htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
        htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
        htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
        if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
        {
        	Error_Handler();
        }
        sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
        if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
        {
        	Error_Handler();
        }
        if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
        sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
        if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
        sConfigOC.Pulse = 0;
        sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
        sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
        sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
        sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
        sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
        if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
        sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
        sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
        sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0;
        sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
        sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_LOW;
        sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
        if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }
        /* USER CODE BEGIN TIM1_Init 2 */
        
        /* USER CODE END TIM1_Init 2 */
        HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);
        
        HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
        HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
        HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
        HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4);
        
        LOG_I("motor pwm initialization ok.\r\n");
        
        }
        
        /**
        *@ingroup motor
        *
        *控制电动机标量控制,正直表示正转,负值表示反转
        *
        *@param  ch    控制通道MOTOR_CH1/TMOTOR_CH2/TMOTOR_CH3/MOTOR_CH4,可组合使用MOTOR_CH_1|MOTOR_CH_2
        *@param  speed pwm控制量[-1000, 1000]
        *@retrun none
        */
        void motor_pwm_set(motor_chx ch,  int16_t speed)
        {
        
        /* 反转 */
        if (0 > speed)
        {
            if (-MOTOR_PWM_MAX > speed)
                speed = -MOTOR_PWM_MAX;
        	motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_REVERSE, -speed);
        }
        /* 正转 */
        else if (0 < speed)
        {
            if (MOTOR_PWM_MAX < speed)
                speed = MOTOR_PWM_MAX;
            motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_FORWARD, speed);
        }
        /* 停止 */
        else
        {
            motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_STOP, speed);
        }
        }
        
      • 第三步:把主要函数加入Finsh控制台命令中,通过命令调试控制效果

        /* FINSH 调试函数 */
        #ifdef RT_USING_FINSH
        #include <finsh.h>
        FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS(motor_pwm_control, motor_control, channel direction speed);
        FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS(motor_pwm_set, motor_set, channel speed);
        
        /* FINSH 调试命令 */
        #ifdef FINSH_USING_MSH
        
        #endif /* FINSH_USING_MSH */
        #endif /* RT_USING_FINSH */
        
      • 第四步:通过Finsh控制台调试命令测试电机通道和PWM控制量

        1565968683143

  • 编码器数据获取

    • 电机测速我们使用520电机自带的AB相霍尔编码器,编码器线数为390,4倍线数后轮子转一圈收到:390*4=1560个脉冲。

    • stm32自带AB相霍尔解码器,一个通道需要消耗一个定时器。我们主控板电机2、3、4使用的timer 3/4/5硬件解码,电机1没有接定时器,坑爹啊,那只能用外部中断根据时序解码。

    • 编码器时序:

      1565945676024

    • 资料有了思路也清晰了,接下来我们要做的只是初始化一下解码器,把实时编码数读出即可

      • 第一步:CubeMx配置解码定时器和中断

        1565945920922

      • 第二步:编写初始化函数和编码器数据获取函数,电机1使用中断解码,电机2、3、4使用定时器解码。(具体代码参照github上面源码,这里不再累述)

        /* TIM init */
        moto_pwm_init();
        motor_encode2_init();
        motor_encode3_init();
        motor_encode4_init();
        motor_encode_enable();
        
        LOG_I("motor initialization completed.\r\n");
        
      • 第三步:加入Finsh调试函数,旋转轮子查看编码值是否准确。(输入 motor_test -ge实时查看编码器值)

        MSH_CMD_EXPORT(motor_test, motor_test -ge/-q);
        

      1565968589135

  • PID

    • 有了编码器作为反馈器,有了PWM作为控制器,那我们就可以加入PID控制器了。加入PID控制器的目的是精确控制轮子的速度,提供轮子的控制达到一致。

    • PID原理知识自行百度网上资料一大把,个人理解是:

      • 比例Kp: 粗调,大幅度调节控制量让测量值逼近理论值,但是由于单位较大无法精确到达理论值,有响应快,调节尺度大的特点。
      • 微分Kd: 状态预测,Kd控制的是速度的斜率相当于预测下一步速度的趋势,可以加快调节速度。
      • 积分Ki:细调, 通过微小的积分累加,让测量值不断逼近理论值,细调控制量让测量值逼近理论值。
    • PID框图:

      img

      img

    • PID公式:

    img

    • 理论知识有了,按照公式做个具体实现就好了

      第一步:实现增量PID刷新公式,具体查看源码(pid.c)

      float pid_update(pid_control_t* pid, float measure_value)
      

      第二步:将测量值输出到虚拟波形器软件上面便于观测各个值的当前情况,作者使用的是《山外多功能调试助手》,直接将数据输出到控制台串口。数据发送接口实现如下:

      /* 输出数据到虚拟波形软件 */
      rt_err_t send_waveform_fomate(void *buf, uint32_t size)
      {
          const char start[2] = {0x03, 0xfc};
          const char end[2]   = {0xfc, 0x03};
          rt_device_t console = rt_console_get_device();
          
      	rt_device_write(console, -1, start, 2);	//发送起始字符
      	rt_device_write(console, -1, buf, size);//发送通道数据
      	rt_device_write(console, -1, end, 2);	//发送结束字符
      
      	return RT_EOK;
      }
      

      1565964410845

      第三步:调节合适的速度刷新周期和PID刷新周期,周期不合适电机会剧烈抖动。作者设置周期为:

      p_car->pid_sample_time = 20;             /* PID刷新间隔ms */
      p_car->vct_sample_time = 10;             /* 速度刷新间隔ms */
      

      第四步:调试合适的PID参数,由于作者选用电机一致性不好,所以设置参数时每个轮子正传和反转的PID参数都是独立的。具体实现查看代码:

      wheel_select_pid_kx(&p_car->m_wheel[i]); /* 根据速度设置PID参数 */
      

      作者样车PID参数:

      #define CHX_PID_KX_TABLE      \
      { \
          {MOTOR_CH1, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
          {MOTOR_CH2, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
          {MOTOR_CH3, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
          {MOTOR_CH4, {0.765, 0.330, 0.100}, {0.260, 0.200, 0.010}},\
      }
      
  • PS2遥控器

    • PS2 由手柄与接收器两部分组成,手柄主要负责发送按键信息。都接通电源并打开手柄开关时,手柄与接收器自动配对连接,在未配对成功的状态下,接收器绿灯闪烁,手柄上的灯也会闪烁,配对成功后,接收器上绿灯常亮.

    • PS2遥控有两个模式一个红灯模式、绿灯模式,区别就是红灯模式遥控输出的是模拟值,绿灯输出的只有最大值。我们输出固定速度选用绿灯模式。

    • PS2传输协议有点像SPI,不同的是PS2每次传输数据帧都是9个字节,里面包含了各个按键的当前值。

    • PS2更多详细信息查看:ps2解码通讯手册V1.5.pdf

    • PS2时序图:

      1565965439212

    • PS2我们只需要读取遥控数据,一个扫描函数搞定,定期刷新一个按键值即可,具体代码参照(ps2.c):

      int ps2_scan(ps2_ctrl_data_t *pt)
      
  • 遥控功能

    • 最后只剩遥控功能了,我们只需要将PS2遥控的当前值映射到对应控制值,再将对应控制值映射到轮子即可。

    • 车子方向控制图:

      麦克纳姆轮方向控制

    • 遥控映射到控制值:

      /* PS映射car cmd表格,组合键命令在头添加,单键命令放后面 */
      car_ps2_cmd_t ps2_to_cmd_table[] = {
          {PS2_BTN_RIGHT| PS2_BTN_UP,     CAR_CMD_FORWARD_RIGHT},
          {PS2_BTN_LEFT | PS2_BTN_UP,     CAR_CMD_FORWARD_LEFT},
          {PS2_BTN_RIGHT| PS2_BTN_DOWN,   CAR_CMD_BACK_RIGHT},
          {PS2_BTN_LEFT | PS2_BTN_DOWN,   CAR_CMD_BACK_LEFT},
          {PS2_BTN_UP,                    CAR_CMD_FORWARD},
          {PS2_BTN_DOWN,                  CAR_CMD_BACK},
          {PS2_BTN_RIGHT,                 CAR_CMD_RIGHT},
          {PS2_BTN_LEFT,                  CAR_CMD_LEFT},
          {PS2_BTN_CICLE,                 CAR_CMD_TURN_RIGHT},
          {PS2_BTN_SQUARE,                CAR_CMD_TURN_LEFT},
      };
      
    • 控制映射到4个轮子的具体速度值:

      /* 命令映射到几何控制参数 */
      car_cmd_math_t cmd_to_math_table[] = {
      {CAR_CMD_INVALID,       { 0,      0,    0,    0}},
      {CAR_CMD_STOP,          { 0,      0,    0,    0}},
      {CAR_CMD_FORWARD_LEFT,  {   0,  120,  120,    0}},
      {CAR_CMD_FORWARD_RIGHT, { 120,    0,    0,  120}},
      {CAR_CMD_BACK_LEFT,    	{-120,    0,    0, -120}},
      {CAR_CMD_BACK_RIGHT,    {   0, -120, -120,    0}}, 
      {CAR_CMD_FORWARD,       { 120,  120,  120,  120}},
      {CAR_CMD_BACK,          {-120, -120, -120, -120}},
      {CAR_CMD_RIGHT,         { 120, -120, -120,  120}},
      {CAR_CMD_LEFT,          {-120,  120,  120, -120}},
      {CAR_CMD_TURN_RIGHT,    { 120, -120,  120, -120}},
      {CAR_CMD_TURN_LEFT,    	{-120,  120, -120,  120}},
      };
      
    • 再开一个线程定期刷新各个轮子的控制即可。

视频预览

PS2遥控小车视频地址:https://www.bilibili.com/video/BV1fU4y187hK/

RK3399 ROS路径规划视频地址:https://www.bilibili.com/video/BV1By4y1x735

经验总结

  • 电机控制电路设计上应该与控制板完全隔离,比如光耦隔离器件,避免电流压降造成主控不稳定。
  • 主控板需要有较强的抗大电流和抗干扰性,一块好的主板事半功倍,主动不稳定容易出现未知问题很难定位。
  • PDI控制环节速度应尽量使用瞬时速度,也就是说在保证精度的情况下刷新时间要尽量的短。