RT-Robot Car DIY活动|基于RT-Thread的智能战车制作教程

No.1

前言

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。

关于选材

本文由RT-Robot Car活动参与者SnowStorm战队队长吴鹏编写，共8698字，感谢他！

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。（以下所有图片，点击即可查看大图）

小车制作仓：https://github.com/bluesky-ryan/snowstorm_car

官方Robot-car连接：https://github.com/RT-Thread-packages/rt-robot

（以上链接请复制至外部浏览器打开）

1、主控芯片：我们选用淘宝成品主控板（主控芯片STM32F103RCT6）（如下方左图所示）

2、底盘：麦克纳姆轮底座，某宝多的是自行选购（如下方右图所示）

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（如下方左图所示）

4、遥控：普通SONY PS2遥控，30-40块钱（如下方右图所示）

5、电池：选用3S 11V航模电池（如下方左图所示）

6、线：USB转串口线一根（如下方右图所示）

No.2

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

No.3

详细步骤

BSP移植

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（以上链接请复制至外部浏览器打开）
移植过程不做累述，按照官方的步骤一步一步的走即可。
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。（向👉滑动查看全部）

 1/**
 2*@ingroup motor
 3*
 4*初始化定时器
 5*@param  none
 6*@retrun none
 7*/
 8static void moto_pwm_init(void)
 9{
10
11/* USER CODE BEGIN TIM1_Init 0 */
12
13/* USER CODE END TIM1_Init 0 */
14
15TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
16TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
17TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
18TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
19
20/* USER CODE BEGIN TIM1_Init 1 */
21
22/* USER CODE END TIM1_Init 1 */
23htim1.Instance = TIM1;
24htim1.Init.Prescaler = 71;
25htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
26htim1.Init.Period = MOTOR_PWM_MAX - 1;
27htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
28htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
29htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
30if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)
31{
32    Error_Handler();
33}
34sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
35if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
36{
37    Error_Handler();
38}
39if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)
40{
41    Error_Handler();
42}
43sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
44sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
45if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
46{
47    Error_Handler();
48}
49sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
50sConfigOC.Pulse = 0;
51sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
52sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
53sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
54sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
55sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
56if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
57{
58    Error_Handler();
59}
60if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
61{
62    Error_Handler();
63}
64if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
65{
66    Error_Handler();
67}
68if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4) != HAL_OK)
69{
70    Error_Handler();
71}
72sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
73sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
74sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
75sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0;
76sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
77sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_LOW;
78sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
79if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK)
80{
81    Error_Handler();
82}
83/* USER CODE BEGIN TIM1_Init 2 */
84
85/* USER CODE END TIM1_Init 2 */
86HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);
87
88HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
89HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
90HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
91HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4);
92
93LOG_I("motor pwm initialization ok.\r\n");
94
95}

 1/**
 2*@ingroup motor
 3*
 4*控制电动机标量控制，正直表示正转，负值表示反转
 5*
 6*@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
 7*@param  speed pwm控制量[-1000, 1000]
 8*@retrun none
 9*/
10void motor_pwm_set(motor_chx ch,  int16_t speed)
11{
12
13/* 反转 */
14if (0 > speed)
15{
16    if (-MOTOR_PWM_MAX > speed)
17        speed = -MOTOR_PWM_MAX;
18    motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_REVERSE, -speed);
19}
20/* 正转 */
21else if (0 < speed)
22{
23    if (MOTOR_PWM_MAX < speed)
24        speed = MOTOR_PWM_MAX;
25    motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_FORWARD, speed);
26}
27/* 停止 */
28else
29{
30    motor_pwm_control(ch, MOTOR_DIR_STOP, speed);
31}
32}

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

 1/* FINSH 调试函数 */
 2#ifdef RT_USING_FINSH
 3#include <finsh.h>
 4FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS(motor_pwm_control, motor_control, channel direction speed);
 5FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS(motor_pwm_set, motor_set, channel speed);
 6
 7/* FINSH 调试命令 */
 8#ifdef FINSH_USING_MSH
 9
10#endif /* FINSH_USING_MSH */
11#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）

1/* TIM init */
2moto_pwm_init();
3motor_encode2_init();
4motor_encode3_init();
5motor_encode4_init();
6motor_encode_enable();
7
8LOG_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）

1MSH_CMD_EXPORT(motor_test, motor_test -ge/-q);

1![1565968589135](https://github.com/bluesky-ryan/snowstorm_car/blob/master/Image/motor_test)

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）

1float pid_update(pid_control_t* pid, float measure_value)
2

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：

 1/* 输出数据到虚拟波形软件 */
 2rt_err_t send_waveform_fomate(void *buf, uint32_t size)
 3{
 4    const char start[2] = {0x03, 0xfc};
 5    const char end[2]   = {0xfc, 0x03};
 6    rt_device_t console = rt_console_get_device();
 7
 8    rt_device_write(console, -1, start, 2); //发送起始字符
 9    rt_device_write(console, -1, buf, size);//发送通道数据
10    rt_device_write(console, -1, end, 2);   //发送结束字符
11
12    return RT_EOK;
13}

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：

1p_car->pid_sample_time = 20;             /* PID刷新间隔ms */
2p_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：

1wheel_select_pid_kx(&p_car->m_wheel[i]); /* 根据速度设置PID参数 */

作者样车PID参数：

1#define CHX_PID_KX_TABLE      \
2{ \
3    {MOTOR_CH1, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
4    {MOTOR_CH2, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
5    {MOTOR_CH3, {1.100, 0.400, 0.500}, {1.100, 0.400, 0.500}},\
6    {MOTOR_CH4, {0.765, 0.330, 0.100}, {0.260, 0.200, 0.010}},\
7}

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
(链接：https://github.com/bluesky-ryan/snowstorm_car/blob/master/%E8%B5%84%E6%96%99%E6%96%87%E6%A1%A3/ps2%E8%A7%A3%E7%A0%81%E9%80%9A%E8%AE%AF%E6%89%8B%E5%86%8CV1.5.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）：

1int 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：

 1/* PS映射car cmd表格，组合键命令在头添加，单键命令放后面 */
 2car_ps2_cmd_t ps2_to_cmd_table[] = {
 3    {PS2_BTN_RIGHT| PS2_BTN_UP,     CAR_CMD_FORWARD_RIGHT},
 4    {PS2_BTN_LEFT | PS2_BTN_UP,     CAR_CMD_FORWARD_LEFT},
 5    {PS2_BTN_RIGHT| PS2_BTN_DOWN,   CAR_CMD_BACK_RIGHT},
 6    {PS2_BTN_LEFT | PS2_BTN_DOWN,   CAR_CMD_BACK_LEFT},
 7    {PS2_BTN_UP,                    CAR_CMD_FORWARD},
 8    {PS2_BTN_DOWN,                  CAR_CMD_BACK},
 9    {PS2_BTN_RIGHT,                 CAR_CMD_RIGHT},
10    {PS2_BTN_LEFT,                  CAR_CMD_LEFT},
11    {PS2_BTN_CICLE,                 CAR_CMD_TURN_RIGHT},
12    {PS2_BTN_SQUARE,                CAR_CMD_TURN_LEFT},
13};

控制映射到4个轮子的具体速度值：

 1/* 命令映射到几何控制参数 */
 2car_cmd_math_t cmd_to_math_table[] = {
 3{CAR_CMD_INVALID,       { 0,      0,    0,    0}},
 4{CAR_CMD_STOP,          { 0,      0,    0,    0}},
 5{CAR_CMD_FORWARD_LEFT,  {   0,  120,  120,    0}},
 6{CAR_CMD_FORWARD_RIGHT, { 120,    0,    0,  120}},
 7{CAR_CMD_BACK_LEFT,        {-120,    0,    0, -120}},
 8{CAR_CMD_BACK_RIGHT,    {   0, -120, -120,    0}}, 
 9{CAR_CMD_FORWARD,       { 120,  120,  120,  120}},
10{CAR_CMD_BACK,          {-120, -120, -120, -120}},
11{CAR_CMD_RIGHT,         { 120, -120, -120,  120}},
12{CAR_CMD_LEFT,          {-120,  120,  120, -120}},
13{CAR_CMD_TURN_RIGHT,    { 120, -120,  120, -120}},
14{CAR_CMD_TURN_LEFT,        {-120,  120, -120,  120}},
15};