背景
Robomaster 机器人比赛包含多个兵种,为了提高研发效率,模块化尤为重要,使用 RT-Thread 有助于面对对象思想开发;通过配备的 Kconfig,Scons 等工具可以实现工程的灵活配置;软件定时器可用作各电机等模块监控,RingBuffer 可以实现传感器信息的高效处理 …….使用的开发板为大疆的 RoboMaster-C 型开发板,基础工程为 rt-thread>bsp>stm32f407-robomaster-c电机模块开发
使用电机和电调均为大疆官方出品,如 2006,3508,6020 等,采用 CAN 通讯方式。
构建对象
首先我们根据使用的电机特性,构建一个通用的电机对象
1/**
2 * @brief DJI intelligent motor typedef
3 */
4typedef struct dji_motor_object
5{
6 rt_device_t can_dev; // 电机CAN实例
7 dji_motor_measure_t measure; // 电机测量值
8 uint32_t tx_id; // 发送id(主发)
9 uint32_t rx_id; // 接收id(主收)
10 /* 分组发送设置 */
11 uint8_t send_group; // 同一帧报文分组
12 uint8_t message_num; // 一帧报文中位置
13 motor_type_e motor_type; // 电机类型
14 motor_working_type_e stop_flag; // 启停标志
15 /* 监控线程相关 */
16 rt_timer_t timer; // 电机监控定时器
17 /* 电机控制相关 */
18 void *controller; // 电机控制器
19 int16_t (*control)(dji_motor_measure_t measure); // 控制电机的接口 用户可以自定义,返回值为16位的电压或电流值
20} dji_motor_object_t;
因为这些电机我们均使用 CAN 方式进行驱动,是 CAN 设备的延申,于是将 rt_device_t can_dev 父类结构体对象内嵌。
dji_motor_measure_t 结构体中为,电机控制时需要用到的一些反馈值,包括电调直接反馈的数据以及进一步解算的得出的:
1/**
2 * @brief DJI motor feedback
3 */
4typedef struct
5{
6 /* 以下是处理得出的数据 */
7 float angle_single_round; // 单圈角度
8 float speed_aps; // 角速度,单位为:度/秒
9 float total_angle; // 总角度,注意方向
10 int32_t total_round; // 总圈数,注意方向
11 float target; // 目标值(输出轴扭矩矩/速度/角度(单位度))
12 /* 以下是电调直接回传的数据 */
13 uint16_t ecd; // 0-8191
14 uint16_t last_ecd; // 上一次读取的编码器值
15 int16_t speed_rpm; //电机的转速值
16 int16_t real_current; // 实际转矩电流
17 uint8_t temperature; // Celsius
18} dji_motor_measure_t;
注册实例
通过 dji_motor_object_t *dji_motor_register(motor_config_t *config, void *controller) 注册对应的电机实例,用户通过 motor_config_t *config 对实例进行灵活配置:
1/**
2 * @brief 电机初始化,返回一个电机实例
3 * @param config 电机配置
4 * @return dji_motor_object_t* 电机实例指针
5 */
6dji_motor_object_t *dji_motor_register(motor_config_t *config, void *controller)
7{
8 dji_motor_object_t *object = (dji_motor_object_t *)rt_malloc(sizeof(dji_motor_object_t));
9 rt_memset(object, 0, sizeof(dji_motor_object_t));
10 // 对接用户配置的 motor_config
11 object->motor_type = config->motor_type; // 6020 or 2006 or 3508
12 object->rx_id = config->rx_id; // 电机接收报文的ID
13 object->control = controller; // 电机控制器
14 /* 查找 CAN 设备 */
15 object->can_dev = rt_device_find(config->can_name);
16 // 电机分组,因为至多4个电机可以共用一帧CAN控制报文
17 motor_send_grouping(object, config);
18 // 电机离线检测定时器相关
19 object->timer = rt_timer_create("motor1",
20 motor_lost_callback,
21 object, 20,
22 RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);
23 rt_timer_start(object->timer);
24 dji_motor_enable(object);
25 dji_motor_obj[idx++] = object;
26 return object;
27}
28/* 电机配置结构体 */
29typedef struct
30{
31 motor_type_e motor_type;
32 const char *can_name;
33 uint32_t tx_id; // 发送id(主发)
34 uint32_t rx_id; // 接收id(主收)
35 void *controller; // 电机控制器
36} motor_config_t;
motor_config_t 结构体中的 void *controller 为电机所使用到的控制器集合,是一个控制器类型为其成员的结构体变量,如下:
1static struct chassis_controller_t{
2 pid_object_t *speed_pid;
3}chassis_controller;
4static struct gimbal_controller_t{
5 pid_object_t *speed_pid;
6 pid_object_t *angle_pid;
7}gimbal_controlelr;
调用 dji_motor_object_t *dji_motor_register 时传入的 void *controller 为电机对应的控制器具体实现,如进行 pid 计算,滤波等,会赋值给电机对象对应的函数指针,在进行电机控制计算时被执行,如下:
1rt_int16_t chassis_control(dji_motor_measure_t measure){
2 static rt_int16_t set = 0;
3 set = pid_calculate(chassis_controller.speed_pid, measure.speed_rpm, 1000);
4 return set;
5}
数据处理
电机对象离不开对数据稳定快速的收发和解析计算,接下来展开讨论使用 RT-Thread 的 CAN 设备驱动收发数据的思路。
首先是数据的接收,stm32f4 拥有 2 个 CAN 外设,所有电机和使用 CAN 总线的设备都挂载在这两条总线上,但 RT-Thread 的每个 CAN 总线只能通过 rt_device_set_rx_indicate(can_dev, can_rx_call); 注册一个对应的接收回调函数。但不同类型电机,不同 CAN 设备的数据解析处理都是不一样的,我这里的解决思路是:首先创建了一个 usr_callback 文件,用于统一管理 CAN、串口等设备可能用到的用户接收对调函数;将一个大的设备类型回调函数注册到对应 CAN 设备,其中再细分各挂载设备的数据解析,实现如下:
1#ifdef BSP_USING_CAN
2rt_err_t can_rx_call(rt_device_t dev, rt_size_t size)
3{
4 struct rt_can_msg rxmsg = {0};
5 uint8_t *rxbuff = rxmsg.data;
6 /* 从 CAN 读取一帧数据 */
7 rt_device_read(dev, 0, &rxmsg, sizeof(rxmsg));
8 /* CAN 接收到数据后产生中断,调用此回调函数,然后发送接收信号量 */
9#ifdef BSP_USING_DJI_MOTOR
10 dji_motot_rx_callback(rxmsg.id, rxbuff);
11#endif /* BSP_USING_DJI_MOTOR */
12 return RT_EOK;
13}
14#endif /* BSP_USING_CAN */
但是这其中也有一点问题,rt_err_t can_rx_call(rt_device_t dev, rt_size_t size) 传入的参数无法判断具体的 CAN 设备来源,因此所有使用到的 CAN 外设数据处理函数都会被调用,但目前问题不大,因为同一条总线上不会挂载相同 ID 的设备,这也是一开始就应该避免的错误。接下来是 CAN 报文的发送,调用 rt_device_write 发送填充好的 CAN 报文帧即可。离线检测这里使用 RT-Thread 的软件定时器对电机进行离线检测,当超过定时间没有接收到对应电机反馈报文,则进入超时回调,并输出警告日志:
1/**
2 * @brief 电机定时器超时回调函数
3 * @param motor_ptr
4 */
5 static void motor_lost_callback(void *motor_ptr)
6 {
7 dji_motor_object_t *motor = (dji_motor_object_t *)motor_ptr;
8// dji_motor_stop(motor);
9 LOG_W("[dji_motor] Motor lost, can bus [%s] , id 0x[%x]", motor->can_dev->parent.name, motor->rx_id);
10 }
使用实例
封装完成的电机模块使用示例如下:
1static struct chassis_controller_t{
2 pid_object_t *speed_pid;
3}chassis_controller;
4static struct gimbal_controller_t{
5 pid_object_t *speed_pid;
6 pid_object_t *angle_pid;
7}gimbal_controlelr;
8static dji_motor_object_t *chassis_motor;
9static dji_motor_object_t *gimbal_motor;
10rt_int16_t chassis_control(dji_motor_measure_t measure){
11 static rt_int16_t set = 0;
12 set = pid_calculate(chassis_controller.speed_pid, measure.speed_rpm, 1000);
13 return set;
14}
15rt_int16_t gimbal_control(dji_motor_measure_t measure){
16 static rt_int16_t set = 0;
17 set = pid_calculate(gimbal_controlelr.speed_pid, measure.speed_rpm, 0);
18 return set;
19}
20static void example_init()
21{
22 pid_config_t chassis_speed_config = {
23 .Kp = 10, // 4.5
24 .Ki = 0, // 0
25 .Kd = 0, // 0
26 .IntegralLimit = 3000,
27 .Improve = PID_Trapezoid_Intergral | PID_Integral_Limit | PID_Derivative_On_Measurement,
28 .MaxOut = 12000,
29 };
30 pid_config_t gimbal_speed_config = {
31 .Kp = 50, // 50
32 .Ki = 200, // 200
33 .Kd = 0,
34 .Improve = PID_Trapezoid_Intergral | PID_Integral_Limit | PID_Derivative_On_Measurement,
35 .IntegralLimit = 3000,
36 .MaxOut = 20000,
37 };
38 chassis_controller.speed_pid = pid_register(&chassis_speed_config);
39 gimbal_controlelr.speed_pid = pid_register(&gimbal_speed_config);
40 motor_config_t chassis_motor_config = {
41 .motor_type = M3508,
42 .can_name = CAN_CHASSIS,
43 .rx_id = 0x201,
44 .controller = &chassis_controller,
45 };
46 motor_config_t gimbal_motor_config = {
47 .motor_type = GM6020,
48 .can_name = CAN_GIMBAL,
49 .rx_id = 0x206,
50 .controller = &gimbal_controlelr,
51 };
52 chassis_motor = dji_motor_register(&chassis_motor_config, chassis_control);
53 gimbal_motor = dji_motor_register(&gimbal_motor_config, gimbal_control);
54}
到此就可以方便且灵活的配置和使用电机模块啦
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存在问题及优化方向
目前 rt-thread 下 stm32 can驱动似乎仅支持 FIFO0 ,但 stm32f4 系列 can 具备两个 FIFO,如能同时使能所有 FIFO,应该能有效提高性能和稳定性。
电机的离线回调可以增加相应的声光报警。
后续考虑能不能也优化为,read,write,control 等形式。
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原文标题:基于 RT-Thread 的 RoboMaster 电控框架(一)
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