基于Linux与ROS的无单片机电控

广东工业大学 DynamicX 机器人队 队长
廖洽源
liaoqiayuan@gmail.com

目录

  • 动机、背景与目标
  • 实现
    • 实时性
    • rm_base
    • rm_plugin
    • 开发流程
  • 步兵机器人实例
  • Demo

动机、背景与目标

  • 动机、背景与目标

  • 实现

    • 硬件方案
    • 软件堆栈
    • 开发流程

  • 步兵机器人实例

  • Demo
动机

举手✋

曾经觉得...

  • 使用 keil 开发很难受
  • 经常重复编写和维护功能类似的机器人代码
  • 与算法组上位机接口不稳定
  • 难以移植其他平台的算法库
  • 单片机算力不足
  • 电控系统结构复杂

✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋✋

背景

ANYmal

  • 开发于：2017年
  • 总线： CAN / EtherCAT
  • 主控：Intel NUC

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背景

MIT Cheetah 3/Mini

  • 开发于：2018年
  • 总线： CAN
  • 主控：UPboard

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背景

妙算控车

  • 开发于：2019年高中生夏令营
  • 总线： CAN
  • 全自动
  • 主控：妙算2

width:250px

背景

比赛全自动运行视频

背景

🔪 砍掉单片机

目标&优势

  1. 极其简单的系统结构
    • 不需要编写单片机程序
    • 主控与视觉识别的计算设备相同
  2. 极高开发效率
    • 所有电机, 传感器数据均可记录和可视化
    • 所有控制参数均可动态和远程调试
    • 丰富的成熟软件包
  3. 兼容性可复用性强
    • 提供三套硬件解决方案
    • 程序模块化, 并通过ROS plugins进行动态加载, 所有机器人共用一套代码
    • 支持 CAN 总线, DBus, UART, GPIO, PWM 等 RM 常用外设
  4. 相比单片机而言, 极高的算力

实现

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  • 实现

    • 硬件方案
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    • 软件堆栈
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  • Demo
实现

硬件

根据视觉识别要求：

  1. Jetson 系列: 深度学习视觉算法

    • 内置CAN
    • 内置GPIO/SPI/iiC

  2. Intel NUC: 传统视觉算法

    • USB转CAN (Candlelight)
    • CAN转GPIO

  3. UP Board: 无视觉算法

    • SPI转CAN (MCP2515)
    • 内置GPIO
实现

实时性

  • Linux + PREEMPT_RT 补丁
  • UP Board 在 压力下的实时性测试：

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实现

软件堆栈

整个软件由多个ROS package组成, 他们运行于 Linux 和 ROS 上。

  1. 驱动:

    • 通过描述文件定义机器人的：总线, 执行器, 传感器类型和参数
    • 计算电机位置, 速度等状态，传感器的数据并标准单位化
    • 运行基础控制器（PID + Feedfoward）
    • 向模块提供数据访问接口

  2. 模块：

    • 根据机械结构或电控逻辑和功能，对机器人模块化
    • 运行简单的状态机和运动学，动力学算法，计算基础控制器期望
    • 提供 topic、server、action 的ROS接口

  3. 决策：

    • 根据遥控和裁判系统等数据向各个模块发送指令
软件堆栈

文件结构

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软件堆栈

节点图

width:700px drop-shadow

实现

研发流程

  1. 队长、组长与负责人确定项目需求;
  2. 负责人开新branch;
  3. 项目成员在branch进行开发;
  4. 对每个重要进行commit;
  5. 项目测试和验收;
  6. 验收后merge到主分支。
步兵机器人实例

步兵机器人实例

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  • Demo
步兵机器人实例

rm_base

joint: 
[
   { name: "wheel_rf", bus: "can0", id: 0x201,
   type: "3508", ctrl: "speed" ,dir: false },
   { name: "wheel_lf", bus: "can0", id: 0x202,
   type: "3508", ctrl: "speed" ,dir: true },
   ....................省略电机......................
   { name: "trigger", bus: "can1", id: 0x203,
   type: "2006", ctrl: "pd" ,dir: true }, 
]
imu:
   { type: "hi220", port: "/dev/usbImu", id: 0, rate: 200,
    frame_fixed: "base_link", frame_source: "odom", frame_target: "base_link" }

plugins:
  - chassis_plugins::Standard
  - gimbal_plugins::Standard
  - shooter_plugins::Standard
  - imu_plugins::Hi220Uart
  - track_plugins::KalmanFilterTrack
步兵机器人实例

云台模块

  • 功能:
    • 跟踪模式: 指向期望角度(枪管姿态)
    • 手操模式: 以特定角速度旋转
  • 特性:
    • IMU可以装在车体任何位置
    • 在车体任意角度倾斜时保证枪管姿态不变 (忽略roll轴旋转)
  • 接口 (topic: /cmd_gimbal):
    • 模式选择
    • 期望抢管速度
    • 期望抢管姿态
步兵机器人实例

跟踪模块

功能:

  • 估计装甲板位置
  • 预测装甲板位置

特性:

  • 考虑云台转动速度
  • 考虑自身车体速度

接口:

  • 将预测值给：
    • 云台模块 (blackboard)
    • 视觉 Node (topic)

Demo

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    • 开发流程

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  • Demo
Demo

底盘

Demo

云台

Demo

5hz射击

Demo

20hz射击

Demo

自动飞坡

RoadMap

  • 基于 ros_control 重写
  • 更多的稳定性测试
  • 开源❤️

问答

❓

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相信现在有不少电控组的成员，不知道大家有没有遇到过电控开发时的效率、兼容性稳定性问题，如果有的话请举一下手可以嘛

大家可以看到这些问题是普遍存在的，那么怎么解决这些问题呢？ 让我们看看近年来先进的机器人的电控方案是怎么样的？

所以， 解决方案是！砍掉单片机是指， 使用PC作为主控制器，单片机只负责电机FOC驱动等底层驱动设备。

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