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：

2.底座

麦克纳姆轮底座，某宝多的是自行选购

样图：

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：

4.遥控

普通SONY PS2遥控30-40块钱

样图：

5.电池

选用3S 11V航模电池

样图：

6.USB转串口线一根

样图：

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：

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

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：
- 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
  - 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);
```
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：
- PID公式：
- 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;
}
```
  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：
- 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：

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。

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