基于RT-Thread的两轮平衡小车设计

1、前言

　　最近参加了RT-Thread官方发起的RT-Robot Car DIY活动，借此机会想总结一些本身本科四年的所学的部分知识。

　　也能够帮助到那些须要的小伙伴（能够参考个人代码中对RT-Thread的can设备驱动的使用方法，对IIC驱动的使用方法，mpu6050+hmc5883的初始化和数据读取的方法，RT-Thread硬件定时器的使用方法，滑动窗口滤波的链表实现，pid结构的代码参考，pid参数调试方法等）

 

2、演示

　　github连接(包括整个keil工程的代码，原理图和PCB，机械图纸和一些参考资料)：https://github.com/iamluoyijie/funny_car

　　小车实物:

 

　　两个演示视频连接：https://v.youku.com/v_show/id_XNDMzNzExODMyMA==.html

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

 

 

 

 

3、详细步骤

　　硬件上，MCU选用stm32f407zgt6，imu选用gy-86（mpu6050+hmc5883+ms5611）。电机为大疆无刷电机m2006，电机驱动为电调c610，因此选用6s航模锂电池，因此须要设计24V转5v，5v转3.3v稳压电路，分别使用lm2576-5.0和asm1117-3.3稳压芯片，因为电调使用can总线通讯，因此须要单片机外接can芯片，选用TJA1050，除此以外就是MCU的一些接口电路，包括led，key，sw下载接口、多路串口、PWM和IO。总得来讲比较简单（须要注意一点是：电池24v输出到电调24v输入，是在pcb上走线，单路额定电流10A，线宽须要注意，最好双面都布线）。这是AD18的PCB工程连接，。这是pcb的3d图：

　　

　　机械上，须要根据电机尺寸单独设计电机支架和小车底板，三视图以下所示：

     

　　软件上，我是使用的这个目录下的bsp：https://github.com/RT-Thread/rt-thread/tree/v4.0.0/bsp/stm32f4xx-HAL，须要的功能能够在rtconfig.h文件中开启对应的宏。 

1. 用rtt的can设备驱动框架，完成了对电机电调的读写控制，具体见keil工程目录下的can_app.c文件，实现了对两个电机的正反转控制，读取电机转速，转矩等数据。
2. 因为can读取的电机转速值数据的波动不稳定，再一个由于转速更新频率为1k，速度环控制周期是2ms，因此用滑动窗口滤波算法对数据作了平滑处理，最后pid调参的效果所以好了不少。
3. 用rtt的IIC驱动完成了对gy-86传感器（mpu6050+hmc5883+ms5611）的初始化和数据读取，具体见gy-86.c文件，完成了对角速度，加速度，和磁力计数据的读取。
4. 而后用Mahony算法（这算法是开源的）把读到的数据解算成欧拉角，见imu.c文件，须要注意的是sampleFreq要根据本身的控制周期来设置，角速度须要归一化。最后解算的pitch和roll角比较稳定，yaw角有一点漂移。
5. 而后用rtt的软件定时器，将pid内环速度环控制周期设置为2ms，外环角度环控制周期设置为5ms, 见timer_app.c文件。
6. pid参数整定是经过山外调试助手显示波形，经过rtt的FinSH组件在线去修改参数，极大的提升了效率，见timer_app.c文件,。
7. pid控制框图以下图所示，其中的PID计算就是最简单的比例+积分+微分的结构，再加上了适当的限幅。
8. 平衡车直立就是将下图指望角度设置为0，前进后退则是将指望角度设置为一个合适的正负的角度值，转弯就是在左右轮的指望速度上，加减一个合适的速度值，这角度值和速度值经过PS2摇杆的模拟量给定，就能完成遥控对平衡小车的控制。
9. 利用rtt的多线程技术，完成了ps2遥控线程（ps2代码参考的这位朋友的，很好用，在此表示感谢），LED状态显示线程，电机电流保护线程，按键线程，很大程度上简化了程序的设计。

4、不足分析与接下来继续要作的工做。

　　一、速度内环的pid效果不太理想，500的电机目标转速，实际转速波动有正负50。角度外环0度的指望角度，有正负0.5度的波动，小车运动过程当中，速度过快就会倒。我感受最重要的缘由就是电池过重，致使小车重心偏高，其次就角度更新频率太慢，电机转速值不许，pid参数也不是最优。

　　二、代码上，使用了太多全局变量。led的状态显示没好好弄，ps2的好多按键没利用上。

　　三、接下里的工做就是，使用RT-Thread的IPC机制，尽可能减小全局变量的使用。 经过yaw角度或电机编码器，实现转向环 速度 的闭环控制。增长 前进 和 转向 的位置控制。（前面的都是速度控制），也就是说还要增长3组pid控制。

　　四、可能会从新设计电机支架，把电池放到电机下面，下降平衡车重心。会增长树莓派，用opencv实现简单的目标跟踪等工做。