基於RT-Thread的兩輪平衡小車設計

1、前言

　　最近參加了RT-Thread官方發起的RT-Robot Car DIY活動，藉此機會想總結一些本身本科四年的所學的部分知識。

　　也能夠幫助到那些須要的小夥伴（能夠參考個人代碼中對RT-Thread的can設備驅動的使用方法，對IIC驅動的使用方法，mpu6050+hmc5883的初始化和數據讀取的方法，RT-Thread硬件定時器的使用方法，滑動窗口濾波的鏈表實現，pid結構的代碼參考，pid參數調試方法等）

 

2、演示

　　github連接(包括整個keil工程的代碼，原理圖和PCB，機械圖紙和一些參考資料)：https://github.com/iamluoyijie/funny_car

　　小車實物:

 

　　兩個演示視頻連接：https://v.youku.com/v_show/id_XNDMzNzExODMyMA==.html

　　　　　　　　　　　https://v.youku.com/v_show/id_XNDMzNzExODMxNg==.html

 

 

 

 

3、詳細步驟

　　硬件上，MCU選用stm32f407zgt6，imu選用gy-86（mpu6050+hmc5883+ms5611）。電機爲大疆無刷電機m2006，電機驅動爲電調c610，因此選用6s航模鋰電池，因此須要設計24V轉5v，5v轉3.3v穩壓電路，分別使用lm2576-5.0和asm1117-3.3穩壓芯片，因爲電調使用can總線通訊，因此須要單片機外接can芯片，選用TJA1050，除此以外就是MCU的一些接口電路，包括led，key，sw下載接口、多路串口、PWM和IO。總得來講比較簡單（須要注意一點是：電池24v輸出到電調24v輸入，是在pcb上走線，單路額定電流10A，線寬須要注意，最好雙面都佈線）。這是AD18的PCB工程連接，。這是pcb的3d圖：

　　

　　機械上，須要根據電機尺寸單獨設計電機支架和小車底板，三視圖以下所示：

     

　　軟件上，我是使用的這個目錄下的bsp：https://github.com/RT-Thread/rt-thread/tree/v4.0.0/bsp/stm32f4xx-HAL，須要的功能能夠在rtconfig.h文件中開啓對應的宏。 

1. 用rtt的can設備驅動框架，完成了對電機電調的讀寫控制，具體見keil工程目錄下的can_app.c文件，實現了對兩個電機的正反轉控制，讀取電機轉速，轉矩等數據。
2. 因爲can讀取的電機轉速值數據的波動不穩定，再一個由於轉速更新頻率爲1k，速度環控制週期是2ms，因此用滑動窗口濾波算法對數據作了平滑處理，最後pid調參的效果所以好了不少。
3. 用rtt的IIC驅動完成了對gy-86傳感器（mpu6050+hmc5883+ms5611）的初始化和數據讀取，具體見gy-86.c文件，完成了對角速度，加速度，和磁力計數據的讀取。
4. 而後用Mahony算法（這算法是開源的）把讀到的數據解算成歐拉角，見imu.c文件，須要注意的是sampleFreq要根據本身的控制週期來設置，角速度須要歸一化。最後解算的pitch和roll角比較穩定，yaw角有一點漂移。
5. 而後用rtt的軟件定時器，將pid內環速度環控制週期設置爲2ms，外環角度環控制週期設置爲5ms, 見timer_app.c文件。
6. pid參數整定是經過山外調試助手顯示波形，經過rtt的FinSH組件在線去修改參數，極大的提升了效率，見timer_app.c文件,。
7. pid控制框圖以下圖所示，其中的PID計算就是最簡單的比例+積分+微分的結構，再加上了適當的限幅。
8. 平衡車直立就是將下圖指望角度設置爲0，前進後退則是將指望角度設置爲一個合適的正負的角度值，轉彎就是在左右輪的指望速度上，加減一個合適的速度值，這角度值和速度值經過PS2搖桿的模擬量給定，就能完成遙控對平衡小車的控制。
9. 利用rtt的多線程技術，完成了ps2遙控線程（ps2代碼參考的這位朋友的，很好用，在此表示感謝），LED狀態顯示線程，電機電流保護線程，按鍵線程，很大程度上簡化了程序的設計。

4、不足分析與接下來繼續要作的工做。

　　一、速度內環的pid效果不太理想，500的電機目標轉速，實際轉速波動有正負50。角度外環0度的指望角度，有正負0.5度的波動，小車運動過程當中，速度過快就會倒。我感受最重要的緣由就是電池過重，致使小車重心偏高，其次就角度更新頻率太慢，電機轉速值不許，pid參數也不是最優。

　　二、代碼上，使用了太多全局變量。led的狀態顯示沒好好弄，ps2的好多按鍵沒利用上。

　　三、接下里的工做就是，使用RT-Thread的IPC機制，儘可能減小全局變量的使用。 經過yaw角度或電機編碼器，實現轉向環 速度 的閉環控制。增長 前進 和 轉向 的位置控制。（前面的都是速度控制），也就是說還要增長3組pid控制。

　　四、可能會從新設計電機支架，把電池放到電機下面，下降平衡車重心。會增長樹莓派，用opencv實現簡單的目標跟蹤等工做。