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

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

# 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：

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

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祝您使用愉快！