Rpibot學(xué)習(xí)機(jī)器人開(kāi)源分享

描述

我是一家德國(guó)汽車公司的嵌入式軟件工程師。我開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目是作為嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺(tái)。該項(xiàng)目被提前取消，但我非常喜歡它，所以我在空閑時(shí)間繼續(xù)。這是結(jié)果...

我有以下要求：

• 簡(jiǎn)單的硬件（重點(diǎn)是軟件）
• 便宜的硬件（約 100 歐元）
• 可擴(kuò)展（某些選項(xiàng)已經(jīng)是描述的一部分）
• 來(lái)自單個(gè) 5V 電源（移動(dòng)電源）的所有組件的電源電壓

除了學(xué)習(xí)之外，沒(méi)有真正的目標(biāo)。該平臺(tái)可用于學(xué)習(xí)、監(jiān)控、機(jī)器人競(jìng)賽、...

這不是初學(xué)者教程。你需要一些基本知識(shí)：

• 編程（Python）
• 基本電子設(shè)備（通過(guò)正確的電壓將模塊連接在一起）
• 基本控制理論（PID）

最后你可能會(huì)像我一樣面臨問(wèn)題。帶著一些好奇心和耐力，您將完成項(xiàng)目并解決挑戰(zhàn)。我的代碼盡可能簡(jiǎn)單，并且對(duì)關(guān)鍵代碼行進(jìn)行了注釋以提供提示。

完整的源代碼和文件可在此處獲得：https ://github.com/makerobotics/RPIbot

補(bǔ)給品：

力學(xué)

• 1x 膠合板（A4 尺寸，4 毫米厚）
• 3x M4 x 80 螺絲和螺母
• 2x 齒輪電機(jī)，帶有用于編碼器的輔助輸出軸。輪子。
• 1x 自由輪
• 1x 平移和傾斜攝像機(jī)安裝（可選）

電子產(chǎn)品

• 1x Raspberry Pi Zero 帶接頭和攝像頭
• 1x PCA 9685 伺服控制
• 2x 光學(xué)編碼器輪和電路
• 1x 母跳線
• 1 個(gè) USB 移動(dòng)電源
• 1x DRV8833 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
• 2x 微型舵機(jī) SG90 用于相機(jī)平移和傾斜（可選）
• 1x MPU9250 IMU（可選）
• 1x HC-SR04 超聲波距離傳感器（可選）
• 1x 穿孔板和焊錫絲、接頭、...

第 1 步：構(gòu)建機(jī)箱

我不是一個(gè)好的機(jī)械設(shè)計(jì)師。此外，該項(xiàng)目的目標(biāo)是不要在底盤上花費(fèi)太多時(shí)間。無(wú)論如何，我定義了以下要求：

• 便宜的材料
• 快速組裝和拆卸
• 可擴(kuò)展（例如用于添加傳感器的空間）
• 輕質(zhì)材料為電子產(chǎn)品節(jié)省能源

可以用膠合板制成簡(jiǎn)單且便宜的底盤。使用電鋸和手鉆很容易加工。您可以粘合小木制零件來(lái)創(chuàng)建傳感器和電機(jī)的支架。

考慮更換有缺陷的元件或電氣調(diào)試。主要部件應(yīng)采用可更換的螺釘固定。熱膠槍可能很簡(jiǎn)單，但可能不是構(gòu)建底盤的最佳方式......我需要很多時(shí)間來(lái)考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的概念來(lái)輕松拆卸零件。3D 打印是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但可能非常昂貴或耗時(shí)。

自由輪最終非常輕巧且易于安裝。替代品都很重或充滿摩擦（我在找到最后一個(gè)之前嘗試了其中的幾個(gè)）。安裝主輪后，我只需要切割一個(gè)木制墊片來(lái)平整尾部自由輪。

車輪屬性（用于軟件計(jì)算）

周長(zhǎng)：21.5 厘米
脈沖：20 脈沖/轉(zhuǎn)。
分辨率：1075厘米（最后1個(gè)脈沖約為1厘米，便于軟件計(jì)算）

第 2 步：電子和接線

如圖所示，該項(xiàng)目正在使用不同的模塊。

Raspberry Pi Zero是主控制器。它通過(guò) PWM 信號(hào)讀取傳感器并控制電機(jī)。它通過(guò)wifi連接到遠(yuǎn)程PC。

DRV8833是一款雙電機(jī) H 橋。它為電機(jī)提供足夠的電流（Raspberry Pi 無(wú)法做到這一點(diǎn)，因?yàn)檩敵鲋荒芴峁┮恍?mA）。

每次光通過(guò)編碼器輪時(shí)，光學(xué)編碼器都會(huì)提供方形信號(hào)。每次信號(hào)切換時(shí)，我們將使用 Raspberry Pi 的硬件中斷來(lái)獲取信息。

pca9695是一個(gè)伺服控制板。它通過(guò) I2C 串行總線進(jìn)行通信。該板提供 PWM 信號(hào)和電源電壓，用于控制凸輪的平移和傾斜伺服系統(tǒng)。

MPU9265是一款3軸加速度、3軸角轉(zhuǎn)速、3軸磁通量傳感器。我們將主要使用它來(lái)獲取指南針航向。

不同的模塊都通過(guò)跳線連接在一起。面包板充當(dāng)調(diào)度程序并提供電源電壓（5V 和 3.3V）和接地。連接都在連接表中描述（見(jiàn)附件）。將 5V 連接到 3.3V 輸入可能會(huì)損壞您的芯片。在供應(yīng)之前小心檢查所有接線兩次（這里特別要考慮編碼器）。在連接所有板之前，您應(yīng)該使用萬(wàn)用表測(cè)量調(diào)度板上的主電源電壓。模塊通過(guò)尼龍螺絲固定在底盤中。同樣在這里，我很高興將它們固定，但在發(fā)生故障時(shí)也可以拆卸。

最后唯一的焊接是電機(jī)、面包板和接頭。老實(shí)說(shuō)，我喜歡跳線，但它們會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)。在某些情況下，某些軟件監(jiān)控可能會(huì)支持您分析連接。

第 3 步：軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

在實(shí)現(xiàn)機(jī)制之后，我們將建立一些軟件基礎(chǔ)設(shè)施，以擁有舒適的開(kāi)發(fā)條件。

吉特

這是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源版本控制系統(tǒng)。它用于像 Linux 一樣管理大型項(xiàng)目，但也可以輕松地用于小型項(xiàng)目（參見(jiàn) Github 和 Bitbucket）。

可以在本地跟蹤項(xiàng)目更改，也可以將其推送到遠(yuǎn)程服務(wù)器以與社區(qū)共享軟件。

主要使用的命令有：

git clone https://github.com/makerobotics/RPIbot.git 【獲取源碼和git配置】

git pull origin master [從遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)獲取最新的]

git status [獲取本地倉(cāng)庫(kù)的狀態(tài)。是否有任何文件更改？] git log [獲取提交列表] git add . [將所有更改的文件添加到下一次提交考慮的階段] git commit -m "comment for commit" [將更改提交到本地存儲(chǔ)庫(kù)]git push origin master [將所有提交推送到遠(yuǎn)程存儲(chǔ)庫(kù)]

日志記錄

Python 提供了一些內(nèi)置的日志功能。在開(kāi)始進(jìn)一步開(kāi)發(fā)之前，軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)該已經(jīng)定義了所有的日志框架。

記錄器可以配置為在終端或日志文件中以定義的格式記錄。在我們的示例中，記錄器由 webserver 類配置，但我們也可以自己完成。這里我們只將日志級(jí)別設(shè)置為 DEBUG：

logger = logging.getLogger(__name__)
logger.setLevel(logging.DEBUG)

測(cè)量和繪圖

要隨時(shí)間分析信號(hào)，最好將它們繪制在圖表中。由于 Raspberry Pi 只有一個(gè)控制臺(tái)終端，我們將在分號(hào)分隔的 csv 文件中跟蹤數(shù)據(jù)并從遠(yuǎn)程 PC 繪制它。

分號(hào)分隔的跟蹤文件是由我們的主要 python 代碼生成的，并且必須具有如下標(biāo)題：

timestamp;yawCorr;encoderR;I_L;odoDistance;ax;encoderL;I_R;yaw;eSpeedR;eSpeedL;pwmL;speedL;CycleTimeControl;wz;pwmR;speedR;Iyaw;hdg;m_y;m_x;eYaw;cycleTimeSense;
1603466959.65;0;0;25;0.0;-0.02685546875;0;25;0;25;25;52;0.0;23;0.221252441406;16;0.0;0;252.069366413;-5.19555664062;-16.0563964844;0;6;
1603466959.71;0;0;50;0.0;0.29150390625;0;50;0;25;25;55;0.0;57;-8.53729248047;53;0.0;0;253.562118111;-5.04602050781;-17.1031494141;0;6;
1603466959.76;0;-1;75;0.0;-0.188232421875;1;75;2;25;25;57;0;52;-24.1851806641;55;0;0;251.433794171;-5.64416503906;-16.8040771484;2;7;

第一列包含時(shí)間戳。以下列是免費(fèi)的。使用要繪制的列列表調(diào)用繪圖腳本：

remote@pc:~/python rpibot_plotter -f trace.csv -p speedL,speedR,pwmL,pwmR

繪圖腳本位于工具文件夾中：https://github.com/makerobotics/RPIbot/tree/master/t...

繪圖儀在 Python 中使用 mathplotlib。您必須將其復(fù)制到您的 PC 中。

為了更舒適，python 腳本由bash 腳本(plot.sh) 調(diào)用，該腳本用于將 Raspberry Pi 跟蹤文件復(fù)制到遠(yuǎn)程 PC 并通過(guò)信號(hào)選擇調(diào)用繪圖儀。bash 腳本“plot.sh”詢問(wèn)如果必須復(fù)制文件。這對(duì)我來(lái)說(shuō)更方便，而不是每次都手動(dòng)復(fù)制。“sshpass”用于通過(guò) scp 將文件從 Raspberry Pi 復(fù)制到遠(yuǎn)程 PC。它能夠在不詢問(wèn)密碼的情況下復(fù)制文件（它作為參數(shù)傳遞）。

最后打開(kāi)一個(gè)窗口，如圖所示。

遠(yuǎn)程通訊

Raspberry Pi 的開(kāi)發(fā)接口是 SSH。文件可以直接在目標(biāo)上編輯，也可以通過(guò) scp 復(fù)制。

為了控制機(jī)器人，Pi 上運(yùn)行了一個(gè) Web 服務(wù)器，通過(guò) Websocket 提供控制。該接口將在下一步中描述。

設(shè)置樹莓派

在源代碼 (setup_rpi.txt) 的“doc”文件夾中有一個(gè)描述 Raspberry Pi 設(shè)置的文件。解釋不多，但有很多有用的命令和鏈接。

第 4 步：用戶界面

我們使用輕量級(jí) Tornado Web 服務(wù)器來(lái)托管用戶界面。它是一個(gè) Python 模塊，我們?cè)趩?dòng)機(jī)器人控制軟件時(shí)調(diào)用它。

軟件架構(gòu)

用戶界面由以下文件構(gòu)建：gui.html [描述網(wǎng)頁(yè)控件和布局] gui.js [包含處理控件并打開(kāi)與我們機(jī)器人的 websocket 連接的 javascript 代碼] gui.css [包含樣式html 控件。控件的位置在這里定義]

websocket 通信

用戶界面不是最酷的，但它正在發(fā)揮作用。我在這里專注于對(duì)我來(lái)說(shuō)是新的技術(shù)，比如 Websockets。

該網(wǎng)站正在通過(guò) Websockets 與機(jī)器人 Web 服務(wù)器進(jìn)行通信。這是一個(gè)雙向通信通道，在連接啟動(dòng)時(shí)將保持打開(kāi)狀態(tài)。我們通過(guò) Websocket 將機(jī)器人的命令發(fā)送到 Raspberry Pi 并獲取信息（速度、位置、攝像頭流）以供顯示。

界面布局

用戶界面可以手動(dòng)輸入命令。這在開(kāi)始時(shí)用于向機(jī)器人發(fā)送命令。復(fù)選框用于打開(kāi)和關(guān)閉相機(jī)流。兩個(gè)滑塊控制攝像機(jī)平移和傾斜。用戶界面的右上角部分控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。您可以控制速度和目標(biāo)距離。基本遙測(cè)信息顯示在機(jī)器人圖紙中。

第 5 步：對(duì)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行編程

這部分是該項(xiàng)目的主要目標(biāo)。在介紹帶有直流電機(jī)的新機(jī)箱時(shí)，我重構(gòu)了很多軟件。出于不同的原因，我使用 Python 作為編程語(yǔ)言：

• 它是樹莓派的主要語(yǔ)言
• 它是一種高級(jí)語(yǔ)言，具有許多內(nèi)置功能和擴(kuò)展
• 它是面向?qū)ο蟮?，但也可用于順序編?/font>
• 無(wú)需編譯或工具鏈。編輯代碼并運(yùn)行它。

主要軟件架構(gòu)

該軟件是面向?qū)ο蟮?，分為幾個(gè)對(duì)象。我的想法是將代碼分成 3 個(gè)功能塊：

感知 --> 思考 --> 執(zhí)行

感覺(jué).py

主要傳感器采集和處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在字典中以供下一階段使用。

控制.py

一個(gè)驅(qū)動(dòng)子類在一些抽象之后控制電機(jī)和伺服系統(tǒng)。主要的控制對(duì)象處理高級(jí)命令以及電機(jī)的控制算法（PID）。

rpibot.py

這個(gè)主要對(duì)象是管理 Tornado Web 服務(wù)器并在單獨(dú)的線程中實(shí)例化感知和控制類。

每個(gè)模塊可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以作為整個(gè)項(xiàng)目的一部分運(yùn)行。您只能感測(cè)并打印出傳感器信息，以檢查傳感器是否正確連接并提供正確的信息。

PID控制

第一個(gè)任務(wù)是找出我們想要控制的東西。我一開(kāi)始試圖控制位置，這非常復(fù)雜并且沒(méi)有多大幫助。

最后，我們要控制每個(gè)車輪的速度以及機(jī)器人的方向。為此，我們必須級(jí)聯(lián)兩個(gè)控制邏輯。

要逐步增加復(fù)雜性，應(yīng)控制機(jī)器人：

開(kāi)環(huán)（具有恒定功率）

pwm = K

然后添加閉環(huán)算法

pwm = Kp.speedError+Ki.Integration(speedError)

最后添加方向控制作為最后一步。

對(duì)于速度控制，我使用“PI”控制，而“P”僅用于偏航。我通過(guò)實(shí)驗(yàn)手動(dòng)設(shè)置參數(shù)。可能在這里可以使用更好的參數(shù)。我的目標(biāo)只是一條直線，我?guī)缀醯玫搅怂?/font>我在軟件中創(chuàng)建了一個(gè)界面，通過(guò)用戶界面編寫一些變量。將參數(shù) Kp 設(shè)置為 1.0 需要在用戶界面中執(zhí)行以下命令：

SET;Kp;1.0

我可以將 P 參數(shù)設(shè)置得足夠低以避免任何超調(diào)。剩余誤差由 I 參數(shù)校正（綜合誤差）

我很難找出如何級(jí)聯(lián)兩個(gè)控件。解決方法很簡(jiǎn)單，但我之前嘗試了很多其他方法......所以最后，我將車輪的速度目標(biāo)更改為向一個(gè)或另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。直接更改速度控制輸出是錯(cuò)誤的，因?yàn)樗俣瓤刂圃噲D消除這種擾動(dòng)。

附上使用的控制圖。它僅顯示機(jī)器人控制的左側(cè)。

第 6 步：傳感器校準(zhǔn)

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首先要考慮的是整個(gè) IMU 必須正常工作。我訂購(gòu)了 3 個(gè)零件并將它們寄回，直到我有一個(gè)完整的工作傳感器。以前的每個(gè)傳感器都有傳感器的某些部分無(wú)法正常工作或根本無(wú)法正常工作。在將其安裝到機(jī)器人中之前，我使用了一些示例腳本來(lái)測(cè)試基礎(chǔ)知識(shí)。

IMU傳感器信號(hào)在使用前需要校準(zhǔn)。一些傳感器信號(hào)取決于安裝角度和位置。

加速度和轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)

最簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)是縱向加速度 (A_x)。靜止時(shí)應(yīng)該有大約 0 m/s2 。如果您正確旋轉(zhuǎn)傳感器，您可以測(cè)量重力（大約 9.8 m/s2）。要校準(zhǔn) a_x，您只需正確安裝它，然后定義偏移量以在靜止時(shí)獲得 0 m/s2。現(xiàn)在 A_x 已校準(zhǔn)。您可以在靜止時(shí)以類似的方式獲得旋轉(zhuǎn)速度的偏移量。

指南針的磁力計(jì)校準(zhǔn)

磁場(chǎng)傳感器需要更復(fù)雜的校準(zhǔn)。我們將使用 m_x 和 m_y 來(lái)獲得水平方向的磁場(chǎng)。擁有 m_x 和 m_y 將使我們有機(jī)會(huì)計(jì)算羅盤航向。

為了我們的簡(jiǎn)單目的，我們將僅校準(zhǔn)硬鐵偏差。這必須在傳感器處于最終位置時(shí)執(zhí)行，因?yàn)樗Q于磁場(chǎng)擾動(dòng)。

我們?cè)趪@ z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人時(shí)記錄 m_x 和 m_y。我們?cè)?XY 圖表中繪制 m_x 與 m_y。如圖所示，結(jié)果為省略號(hào)。省略號(hào)必須以原點(diǎn)為中心。這里我們考慮 m_x 和 m_y 的最大值和最小值來(lái)獲得兩個(gè)方向的偏移量。最后我們檢查校準(zhǔn)并看到省略號(hào)現(xiàn)在居中。

軟鐵校準(zhǔn)意味著我們將圖片從省略號(hào)更改為圓形。這可以通過(guò)在每個(gè)傳感器值上添加一個(gè)因子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在可以對(duì)測(cè)試?yán)踢M(jìn)行編碼以重新校準(zhǔn)或至少檢查傳感器是否仍在校準(zhǔn)。

指南針航向

現(xiàn)在將使用磁力計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算羅盤航向。為此，我們必須將 m_x 和 m_y 信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度。Python 直接提供了具有此目標(biāo)的 math.atan2 函數(shù)。完整的計(jì)算在 mpu9250_i2c.py 文件中定義（“calcHeading(mx, my, mz)”）。

第 7 步：替代設(shè)計(jì)

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由于設(shè)計(jì)完全開(kāi)放，該項(xiàng)目花費(fèi)了很多時(shí)間。對(duì)于每個(gè)組件，我都做了一些原型實(shí)現(xiàn)，并體驗(yàn)了系統(tǒng)的局限性。

最復(fù)雜的話題是車輪編碼器。在找到當(dāng)前使用的光學(xué)編碼器之前，我測(cè)試了 3 種不同的選項(xiàng)。我認(rèn)為在這樣的項(xiàng)目中，中止的解決方案也很有趣。它涉及我學(xué)到最多的部分。

連接到 pca 9695 的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服

為了避免直流電機(jī)的額外 H 橋，我首先從連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)開(kāi)始。這些是由已經(jīng)存在的 pca 9695 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的。所有推進(jìn)機(jī)制和相應(yīng)的電子設(shè)備都簡(jiǎn)單得多。這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)缺點(diǎn)：

• 舵機(jī)的控制范圍很差。
• 缺少的編碼器保持位置

伺服系統(tǒng)以 50% 的 pwm 開(kāi)始移動(dòng)，全速約為 55%。這是一個(gè)非常差的控制范圍。

如果沒(méi)有編碼器，很難找到準(zhǔn)備就緒的編碼器。我測(cè)試了安裝在底盤上的 3 種不同的反射率編碼器。我在輪子外側(cè)用黑色和白色部分粘貼了一個(gè)自制的編碼器輪。我使用了需要大量信號(hào)處理才能獲得正確信號(hào)的 QTR-1RC 傳感器。Raspberry Pi 無(wú)法執(zhí)行這種實(shí)時(shí)處理。所以我決定為機(jī)器人添加一個(gè) NodeMCU D1 mini 作為實(shí)時(shí)控制器。它通過(guò)串行 UART 連接到樹莓派，以傳遞處理后的傳感器數(shù)據(jù)。NodeMCU 也在管理 HC-SR04 傳感器。機(jī)械結(jié)構(gòu)很困難，而且不是很堅(jiān)固，串行線路從 I2C 線路和電機(jī)中得到噪音，所以最后我用簡(jiǎn)單的齒輪直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)了底盤的第二個(gè)版本H橋。

第 8 步：圖像處理

為了改進(jìn)自動(dòng)駕駛，我們可以做一些圖像處理。

opencv 庫(kù)是一個(gè)參考。Python可以使用它來(lái)快速實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)。

我們捕獲圖像并應(yīng)用一些圖像處理任務(wù)：

• 將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像
• 模糊圖像以去除小噪點(diǎn)
• 將圖像閾值設(shè)置為黑白圖像
• 現(xiàn)在我們檢測(cè)水平和垂直梯度來(lái)檢測(cè)物體作為墻壁和家具。
• 我們只過(guò)濾剩余的大輪廓（參見(jiàn)圖片中的彩色輪廓）

現(xiàn)在我們可以使用這些新信息來(lái)檢測(cè)障礙物......

第 9 步：后續(xù)步驟...

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現(xiàn)在，我們有了一個(gè)帶有傳感器、執(zhí)行器和攝像頭的簡(jiǎn)單機(jī)器人平臺(tái)。我的目標(biāo)是在不增加任何傳感器的情況下自主移動(dòng)并返回車站。為此，我將需要以下步驟：

• 偏航和磁航向信號(hào)的傳感器融合
• 相機(jī)圖像處理（只有低 CPU 可用）
• 碰撞檢測(cè)（超聲波距離和攝像頭）
• 地圖構(gòu)建或方向

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