Robofish
ec22b87dfa
activate wheel-leg balance mode in RC switch case update crouch and retract leg lengths in config adjust non-contact theta threshold in chassis module add README and USAGE documentation files
320 lines
8.3 KiB
Markdown
320 lines
8.3 KiB
Markdown
# 平衡轮足机器人电控系统
|
||
|
||
基于 STM32H723 的平衡轮腿机器人电控系统，采用 FreeRTOS 实时操作系统，支持 LQR、VMC 等先进控制算法。
|
||
|
||
## 项目简介
|
||
|
||
本项目是一个高性能的平衡轮腿机器人电控系统，实现了机器人的平衡控制、运动控制、云台控制、发射机构控制等功能。系统采用模块化设计，具有良好的可扩展性和可维护性。
|
||
|
||
### 主要特性
|
||
|
||
- ✅ **高性能硬件平台**：STM32H723 微控制器，480MHz 主频
|
||
- ✅ **实时操作系统**：FreeRTOS，多任务并发处理
|
||
- ✅ **先进控制算法**：
|
||
- LQR（线性二次调节器）平衡控制
|
||
- VMC（虚拟模型控制）五连杆运动学解算
|
||
- PID 控制器
|
||
- 卡尔曼滤波器
|
||
- ✅ **多种功能模块**：
|
||
- 平衡底盘控制（轮腿结构）
|
||
- 云台控制（Yaw/Pitch）
|
||
- 发射机构控制
|
||
- 遥控接收（DR16）
|
||
- AI 视觉系统
|
||
- ✅ **丰富的外设接口**：
|
||
- CAN/FDCAN 总线
|
||
- SPI 接口
|
||
- UART 串口
|
||
- PWM 输出
|
||
- ADC 采集
|
||
- ✅ **调试工具**：
|
||
- CLI 命令行接口
|
||
- VOFA+ 数据可视化
|
||
- 监控任务
|
||
|
||
## 硬件架构
|
||
|
||
### 主控板
|
||
- **型号**：STM32H723XG
|
||
- **主频**：480MHz
|
||
- **Flash**：1MB
|
||
- **RAM**：1.4MB
|
||
|
||
### 传感器
|
||
- **IMU**：BMI088（加速度计 + 陀螺仪）
|
||
- **遥控器**：大疆 DR16
|
||
- **电机**：
|
||
- LZ 直流无刷电机（关节电机）
|
||
- LK 直流无刷电机（轮子电机）
|
||
- DM 直流无刷电机（云台电机）
|
||
|
||
### 通信接口
|
||
- **CAN/FDCAN**：电机通信、视觉通信
|
||
- **SPI**：IMU 数据读取
|
||
- **UART**：遥控接收、CLI、VOFA+
|
||
|
||
## 软件架构
|
||
|
||
### 目录结构
|
||
|
||
```
|
||
├── Core/ # STM32 HAL 库生成的核心代码
|
||
│ ├── Inc/ # 头文件
|
||
│ └── Src/ # 源文件
|
||
├── Drivers/ # STM32 驱动库
|
||
├── User/ # 用户代码
|
||
│ ├── bsp/ # 板级支持包
|
||
│ │ ├── can.h/.c # CAN/FDCAN 驱动
|
||
│ │ ├── uart.h/.c # UART 驱动
|
||
│ │ ├── spi.h/.c # SPI 驱动
|
||
│ │ ├── gpio.h/.c # GPIO 驱动
|
||
│ │ ├── flash.h/.c # Flash 操作
|
||
│ │ └── ...
|
||
│ ├── component/ # 通用组件
|
||
│ │ ├── lqr.h/.c # LQR 控制器
|
||
│ │ ├── vmc.h/.c # VMC 虚拟模型控制
|
||
│ │ ├── pid.h/.c # PID 控制器
|
||
│ │ ├── kalman_filter.h/.c # 卡尔曼滤波
|
||
│ │ ├── ahrs.h/.c # 姿态解算
|
||
│ │ ├── filter.h/.c # 滤波器
|
||
│ │ ├── limiter.c # 限幅器
|
||
│ │ └── ...
|
||
│ ├── device/ # 设备驱动
|
||
│ │ ├── motor_lz.h/.c # LZ 电机驱动
|
||
│ │ ├── motor_lk.h/.c # LK 电机驱动
|
||
│ │ ├── motor_dm.h/.c # DM 电机驱动
|
||
│ │ ├── dr16.h/.c # 遥控器驱动
|
||
│ │ ├── bmi088.h/.c # IMU 驱动
|
||
│ │ ├── vision_bridge.c # 视觉通信
|
||
│ │ ├── vofa.h/.c # VOFA+ 调试
|
||
│ │ └── ...
|
||
│ ├── module/ # 功能模块
|
||
│ │ ├── balance_chassis.h/.c # 平衡底盘
|
||
│ │ ├── gimbal.h/.c # 云台
|
||
│ │ ├── shoot.h/.c # 发射机构
|
||
│ │ └── config.h/.c # 配置管理
|
||
│ └── task/ # 任务管理
|
||
│ ├── user_task.h/.c # 任务框架
|
||
│ ├── rc.c # 遥控任务
|
||
│ ├── ctrl_chassis.c # 底盘控制任务
|
||
│ ├── ctrl_gimbal.c # 云台控制任务
|
||
│ ├── ctrl_shoot.c # 发射控制任务
|
||
│ ├── ai.c # AI 任务
|
||
│ ├── monitor.c # 监控任务
|
||
│ ├── cli.c # CLI 任务
|
||
│ └── ...
|
||
├── utils/ # 工具和仿真
|
||
├── MDK-ARM/ # Keil MDK 工程文件
|
||
├── build/ # CMake 构建目录
|
||
└── CMakeLists.txt # CMake 构建配置
|
||
```
|
||
|
||
### 任务调度
|
||
|
||
系统采用 FreeRTOS 实时多任务调度，主要任务包括：
|
||
|
||
| 任务名称 | 频率 | 功能描述 |
|
||
|---------|------|---------|
|
||
| Task_rc | 500Hz | 遥控器数据处理 |
|
||
| Task_atti_esit | - | 姿态估计 |
|
||
| Task_ctrl_chassis | 500Hz | 底盘控制 |
|
||
| Task_ctrl_gimbal | 500Hz | 云台控制 |
|
||
| Task_ctrl_shoot | 500Hz | 发射控制 |
|
||
| Task_ai | 500Hz | AI 视觉处理 |
|
||
| Task_monitor | 500Hz | 系统监控 |
|
||
| Task_vofa | 500Hz | VOFA+ 数据发送 |
|
||
| Task_cli | - | CLI 命令行处理 |
|
||
| Task_blink | 500Hz | LED 指示灯 |
|
||
|
||
### 核心算法
|
||
|
||
#### 1. LQR 控制
|
||
|
||
线性二次调节器（Linear Quadratic Regulator）用于实现轮腿机器人的平衡控制。
|
||
|
||
**状态向量**：
|
||
- theta：摆杆角度
|
||
- d_theta：摆杆角速度
|
||
- x：驱动轮位移
|
||
- d_x：驱动轮速度
|
||
- phi：机体俯仰角
|
||
- d_phi：机体俯仰角速度
|
||
|
||
**控制输出**：
|
||
- T：轮毂力矩
|
||
- Tp：髋关节力矩
|
||
|
||
#### 2. VMC 控制
|
||
|
||
虚拟模型控制（Virtual Model Control）实现五连杆运动学解算和力矩分配。
|
||
|
||
**功能**：
|
||
- 五连杆正运动学解算（关节角度 → 足端位置）
|
||
- 五连杆逆运动学解算（虚拟力 → 关节力矩）
|
||
- 等效摆动杆参数计算
|
||
- 地面接触检测
|
||
|
||
#### 3. 平衡控制流程
|
||
|
||
```
|
||
遥控输入 → 运动指令 → LQR 控制 → VMC 解算 → 电机输出 → 平衡控制
|
||
↓
|
||
姿态反馈
|
||
```
|
||
|
||
## 编译环境
|
||
|
||
### 推荐开发环境
|
||
|
||
1. **IDE**：
|
||
- Keil MDK-ARM 5.x
|
||
- VS Code + Cortex-Debug 插件
|
||
|
||
2. **编译工具链**：
|
||
- ARM GCC Toolchain (arm-none-eabi-gcc)
|
||
- CMake 3.22+
|
||
|
||
3. **调试工具**：
|
||
- ST-Link V2/V3
|
||
- J-Link
|
||
|
||
### 依赖库
|
||
|
||
- STM32 HAL 库
|
||
- FreeRTOS
|
||
- CMSIS DSP 库
|
||
|
||
## 快速开始
|
||
|
||
### 1. 克隆项目
|
||
|
||
```bash
|
||
git clone ssh://git@gitea.qutrobot.top:222/robofish/rm_balance.git
|
||
cd balance_infantry
|
||
```
|
||
|
||
### 2. 使用 Keil MDK 编译
|
||
|
||
1. 打开 `MDK-ARM/CtrBoard-H7_ALL.uvprojx`
|
||
2. 选择正确的编译配置（Debug/Release）
|
||
3. 点击编译（F7）
|
||
4. 下载到开发板（F8）
|
||
|
||
### 3. 使用 CMake 编译
|
||
|
||
```bash
|
||
# 创建构建目录
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
|
||
# 配置 CMake
|
||
cmake ..
|
||
|
||
# 编译
|
||
make -j4
|
||
|
||
# 生成 HEX 文件位于 build 目录
|
||
```
|
||
|
||
### 4. 使用 VS Code 开发
|
||
|
||
项目已配置 `.clangd`，支持：
|
||
- 智能代码补全
|
||
- 语法检查
|
||
- 跳转到定义
|
||
- 重构功能
|
||
|
||
## 配置说明
|
||
|
||
### 参数配置
|
||
|
||
主要参数配置文件位于 `User/module/config.c`，包括：
|
||
|
||
- **底盘参数**（`Chassis_Params_t`）：
|
||
- 电机参数
|
||
- VMC 参数
|
||
- LQR 增益矩阵
|
||
- PID 参数
|
||
- 跳跃参数
|
||
|
||
- **云台参数**（`Gimbal_Params_t`）：
|
||
- 电机参数
|
||
- PID 参数
|
||
|
||
- **发射参数**（`Shoot_Params_t`）：
|
||
- 摩擦轮参数
|
||
- 拨弹轮参数
|
||
|
||
### 配置文件格式
|
||
|
||
项目使用 YAML 格式的配置文件（部分模块）：
|
||
- `User/task/config.yaml`
|
||
- `User/bsp/bsp_config.yaml`
|
||
- `User/component/component_config.yaml`
|
||
- `User/device/device_config.yaml`
|
||
|
||
## 调试工具
|
||
|
||
### 1. CLI 命令行
|
||
|
||
通过串口连接，可使用以下命令：
|
||
|
||
```bash
|
||
help # 显示帮助信息
|
||
status # 显示系统状态
|
||
motor # 电机控制
|
||
chassis # 底盘控制
|
||
gimbal # 云台控制
|
||
```
|
||
|
||
### 2. VOFA+ 数据可视化
|
||
|
||
支持实时数据监控和绘图，配置串口参数后即可使用。
|
||
|
||
### 3. 监控任务
|
||
|
||
`Task_monitor` 实时监控系统状态，包括：
|
||
- 电池电压
|
||
- CPU 温度
|
||
- 任务运行频率
|
||
- 栈使用情况
|
||
|
||
## 注意事项
|
||
|
||
### 安全事项
|
||
|
||
⚠️ **重要**：
|
||
1. 首次运行前务必检查电机方向和限位
|
||
2. 调试时使用低电压，避免失控
|
||
3. 确保 IMU 安装正确，校准零点
|
||
4. 测试跳跃功能时做好防护
|
||
|
||
### 常见问题
|
||
|
||
1. **编译错误**：
|
||
- 检查 ARM GCC 工具链是否正确安装
|
||
- 确认 CMake 版本 >= 3.22
|
||
|
||
2. **下载失败**：
|
||
- 检查 ST-Link/J-Link 连接
|
||
- 确认 BOOT 模式设置正确
|
||
|
||
3. **平衡控制失效**：
|
||
- 检查 IMU 数据是否正常
|
||
- 确认 LQR 参数是否合理
|
||
- 验证电机反馈数据
|
||
|
||
## 贡献指南
|
||
|
||
欢迎提交 Issue 和 Pull Request！
|
||
|
||
## 许可证
|
||
|
||
本项目采用 MIT 许可证。
|
||
|
||
## 联系方式
|
||
|
||
- 项目地址：ssh://git@gitea.qutrobot.top:222/robofish/rm_balance.git
|
||
|
||
---
|
||
|
||
**祝您使用愉快！** |