基于Micro-ROS的开源全向移动机器人T-Robot(旭日x3派+ESP32)

Tianci_Zhang

1411人浏览 · 2023-01-31 19:18:02

Tianci_Zhang · 2023-01-31 19:18:02 发布

仓库地址：https://github.com/z2010012286/T-Robot

视频地址：T-Robot v0.1版本发布！开源全向移动机器人(Based on Micro-ROS)

在这里插入图片描述

0 开源动机

断断续续学习了大约1年的ROS和micro-ROS，总想着动手做点什么
旭日x3派+ROS2有很多有趣的东西，需要有那么一个平台去实现
国内似乎还没有底层采用Micro-ROS的开源移动机器人项目(若有，请忽略…)

1 机器人硬件部分

均为淘宝采购，为避免广告嫌疑，不放链接~

机器人底盘布局
主控：esp32 (ESP-WROOM-32)+旭日x3派(2GB)
激光雷达：LD14
IMU：MPU9250
电机： WGA12-N20直流减速电机 (12V, 1:50减速比)
电机驱动芯片：4颗RZ7889
编码器：AB双相增量式磁性霍尔编码器
电源：12V锂电池；
- 12V驱动电机；外置12V转5V模块提供DC-5V输出(最大电流4A)；
轮子：4麦轮，直径48mm
结构件：切割亚克力板、3D打印

2 底层固件部分(核心)

2.1 lib/config

包含大部分宏定义，引脚定义等。

2.2 lib/encoder

c++封装的适用于esp32的编码器库，原作者仓库地址：ESP32encoder

本项目对其进行了必要修改，增加了getRPM()函数，以直接获取转速信息。

float ESP32Encoder::getRPM(int counts_per_rev)  //counts_per_rev：每转一圈的编码器计数
{
  counts_per_rev_ = counts_per_rev;
  int64_t encoder_ticks = getCount();
  // this function calculates the motor's RPM based on encoder ticks and delta time
  unsigned long current_time = micros();
  unsigned long dt = current_time - prev_update_time_;
  // convert the time from milliseconds to minutes
  double dtm = (double)dt / 60000000;
  double delta_ticks = encoder_ticks - prev_encoder_ticks_;
  // calculate wheel's speed (RPM)
  prev_update_time_ = current_time;
  prev_encoder_ticks_ = encoder_ticks;
  return ((delta_ticks / counts_per_rev_) / dtm);
}

可配置实现不同的编码器计数方式：

//file: ESP32encoder.h
void attachSingleEdge(int aPintNumber, int bPinNumber); //1倍
void attachHalfQuad(int aPintNumber, int bPinNumber);  //2倍
void attachFullQuad(int aPintNumber, int bPinNumber);  //4倍

2.3 lib/imu

imu_interface.h
- 定义了IMU的ros2 imu message格式，可直接发送给ROS/ROS2使用；
- IMUInterface()构造函数中初始化了imu_msg.header相关信息，不同版本写法略有不同；
- 抽象了4个虚函数，方便适配不同类型的IMU；
```
//file: imu_interface.h
virtual geometry_msgs__msg__Vector3 readAccelerometer() = 0;
virtual geometry_msgs__msg__Vector3 readGyroscope() = 0;
virtual bool startSensor() = 0;
virtual void calibrateGyro()=0;
```
default_imu.h
- 依赖MPU9250库，该库可通过platformio.ini文件进行自动安装，也可以手动下载添加；
- 对imu_interface.h中的4个虚函数进行了实现；

2.4 lib/kinematics

c++封装的适用于求解小车底盘正逆运动学的库。适用于两轮差分、阿克曼、麦轮等。该库原地址：kinematics
小车轮距、轮径、转速等信息在lib/config中定义；

核心函数1：由线速度和角速度推算小车车轮转速

rpm getRPM(float linear_x, float linear_y, float angular_z);

核心函数2：由小车车轮转速推算线速度和角速度

velocities getVelocities(int rpm1, int rpm2, int rpm3, int rpm4);

2.5 lib/motor

motor_interface.h抽象了电机的各个功能，如正转、反转、停机等；
motor.h继承了motor_interface并对其各个功能进行了实现，并添加了pwm_offset;
pwm_offset是为了解决一些电机在低占空比pwm驱动下，电机不转动的问题；

2.6 lib/odemetry

定义了里程计nav_msgs/msg/odometry，用于发布odometry message；

核心函数1：获取当前的odometry message数据

nav_msgs__msg__Odometry Odometry::getData()
{
  return odom_msg_;
}

核心函数2：传入速度信息，更新odometry message数据

void update(float vel_dt, float linear_vel_x, float linear_vel_y, float angular_vel_z);

2.7 lib/pid

顾名思义，电机的PID控制，不多解释了，看代码~

2.8 lib/micro_ros_arduino

基于官方的micro_ros_arduino#v2.0.5foxy，对其进行了必要修改，并进行了rebuild：

修改UCLIENT_CUSTOM_TRANSPORT_MTU=1024，使得采用best_effort的传输策略时，可以传输大于512Bytes的数据(主要是odometry message)；
修改RMW_UXRCE_MAX_HISTORY=2，减少RAM使用，避免内存溢出；
具体rebuild步骤可参考：https://github.com/micro-ROS/micro_ros_arduino/issues/1221#issuecomment-1329923473