diff --git a/README.md b/README.md index 81bc87d..73e01dc 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -10,6 +10,8 @@ 2025-08-16 对几种运动中倒地的极限状态进行优化，实现自平衡起身。 +2025-09-14 +增加左下和起立功能。 世博开源轮足优化版-TOMMY版本项目地址： https://gitee.com/myperworld/wrobot diff --git a/Shibo-main-TOMMY/include/main.h b/Shibo-main-TOMMY/include/main.h index df3c898..f770313 100644 --- a/Shibo-main-TOMMY/include/main.h +++ b/Shibo-main-TOMMY/include/main.h @@ -31,5 +31,17 @@ void yaw_angle_addup(); void blinkLed(); void detectObstacle(); void resetToDefault(); +void resetToDefault(); + +// 超声波测距函数 +void handleEcho(); +void echo_loop(); + +// 遥控模式 自动巡航模式 +typedef enum { + REMOTE_MODE, + CRUISE_MODE +} OperationMode; +extern OperationMode current_mode; #endif diff --git a/Shibo-main-TOMMY/src/main.cpp b/Shibo-main-TOMMY/src/main.cpp index 5d30278..dff6ff6 100644 --- a/Shibo-main-TOMMY/src/main.cpp +++ b/Shibo-main-TOMMY/src/main.cpp @@ -5,6 +5,7 @@ #include #include +#include "esp_wifi.h" #include "main.h" /************实例定义*************/ @@ -62,6 +63,7 @@ MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); // LQR自平衡控制器参数 float LQR_angle = 0; float LQR_gyro = 0; +float LQR_gyroZ = 0; float LQR_speed = 0; float LQR_distance = 0; float angle_control = 0; @@ -112,6 +114,12 @@ int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数 // 定义摇杆数值死区参数 const int deadZone = 15; +// 小车状态控制 +bool robot_enabled = true; // 小车使能状态，true为起立状态，false为坐下状态 +bool last_robot_enabled = true; // 记录上一次的小车状态 +bool sitting_down = false; // 标记是否正在执行坐下动作 +float original_angle_zeropoint = 5; // 保存原始的角度零点 + typedef struct { byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) @@ -124,9 +132,9 @@ typedef struct { bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false - byte roll; //用于M5StackCore2或未来增加的陀螺仪功能 - byte pitch; - bool buttonR3; + byte roll; // 默认 127 + byte pitch; // 默认 127 + bool buttonR3; // 默认 1 } JoystickData; JoystickData remoteData; @@ -138,6 +146,60 @@ bool lastbuttonLB = false; void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + // Serial.println("收到数据"); + // Serial.print("j1PotX="); Serial.print(remoteData.j1PotX); + // Serial.print(", j1PotY="); Serial.print(remoteData.j1PotY); + // Serial.print(", j2PotX="); Serial.print(remoteData.j2PotX); + // Serial.println(", j2PotY="); Serial.println(remoteData.j2PotY); + // Serial.print(", buttonR1="); Serial.print(remoteData.buttonR1); + // Serial.print(", buttonR2="); Serial.print(remoteData.buttonR2); + // Serial.print(", j1Button="); Serial.print(remoteData.j1Button); + // Serial.print(", j2Button="); Serial.print(remoteData.j2Button); + // Serial.print(", buttonLB="); Serial.print(remoteData.buttonLB); + // Serial.print(", buttonRB="); Serial.println(remoteData.buttonRB); + // Serial.print(", tSwitch1="); Serial.print(remoteData.tSwitch1); + // Serial.print(", roll="); Serial.print(remoteData.roll); + // Serial.print(", pitch="); Serial.print(remoteData.pitch); + // Serial.print(", buttonR3="); Serial.println(remoteData.buttonR3); + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右按键（取反：默认0，按下1） + int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左按键（取反：默认0，按下1） + + + // 处理坐下/起立指令 + if (convertedbuttonR2 && robot_enabled) { // 底部左按键按下，坐下 + robot_enabled = false; + sitting_down = true; // 标记开始坐下动作 + original_angle_zeropoint = angle_zeropoint; // 保存当前的角度零点 + } + if (convertedbuttonR1 && !robot_enabled) { // 底部右按键按下，起立 + robot_enabled = true; + sitting_down = false; // 清除坐下动作标记 + resetToDefault(); // 重置参数准备起立 + } + + // 如果小车处于坐下状态或正在执行坐下动作，不处理其他指令 + if (!robot_enabled || sitting_down) { + wrobot.dir = 4; // 强制设为"不跳跃" + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + wrobot.height = 0; // 清空高度指令 + return; + } + + // 跳跃状态不接受指令 + if( jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 强制设为“不跳跃” + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + return; + } + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 // roll 左右摇摆 int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 @@ -148,9 +210,6 @@ void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { // 前后速度 int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 - // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true - int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 - int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 // 跳跃 if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false @@ -194,21 +253,29 @@ void setup() Serial.begin(115200); // 通讯串口 Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + // Wifi初始化 - 修改：设置通道为6 + WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为STA模式 + // 设置WiFi通道为6 + // esp_wifi_set_channel(6, WIFI_SECOND_CHAN_NONE); + // Wifi初始化 - WiFi_SetAP(); + // WiFi_SetAP(); webserver.begin(); webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); websocket.begin(); websocket.onEvent(webSocketEventCallback); // 初始化ESP-NOW - WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + // WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 if (esp_now_init() != ESP_OK) { Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + // Serial.print("WIFI channel:"); + // Serial.println(WiFi.channel()); + // 舵机初始化 sms_sts.pSerial = &Serial2; ID[0] = 1; @@ -291,6 +358,68 @@ void setup() void loop() { + // 检测小车状态变化 坐 -> 站 + if (robot_enabled && !last_robot_enabled) { + // 从坐下状态变为起立状态，重置参数 + resetToDefault(); + } + last_robot_enabled = robot_enabled; + + // 如果小车处于坐下状态，只执行必要的功能 + if (!robot_enabled) { + bat_check(); // 电压检测 + web_loop(); // Web数据更新 + mpu6050.update(); // IMU数据更新 + + // 如果正在执行坐下动作，逐步调整角度零点让小车向后倒 + if (sitting_down) { + // 缓慢调整角度零点，使小车向后倒 + static int sit_counter = 0; + sit_counter++; + + // 先给个向后退脉冲 + if (sit_counter < 30) { + // 设置电机目标为正，使小车向后运动 + motor1.target = -2.0; // 2V电压，向后转（轮子向前转，小车向后运动） + motor2.target = -2.0; + } else { + // 阶段2：停止电机，让小车自然向后倒 + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + } + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + motor1.move(); + motor2.move(); + + // 当sit_counter为0时，设置舵机到最低位置 + if (sit_counter == 0) { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + Speed[0] = 100; + Speed[1] = 100; + ACC[0] = 5; + ACC[1] = 5; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } + + if (sit_counter < 100) { // 分100步完成坐下动作 + // 逐步将平衡零点变成负数，小车抬头（向后倒） + angle_zeropoint -- ; + } else { + // 坐下动作完成，设置到最低位置和最终角度零点 + sit_counter = 0; + sitting_down = false; + angle_zeropoint = -20; // 最终的角度零点，确保小车向后倒 + } + } else { + // 已经坐下，保持最低位置和向后倒的角度零点 + angle_zeropoint = -15; // 保持向后倒的角度零点 + } + + return; // 跳过其他控制 + } + bat_check(); // 电压检测 <1ms web_loop(); // Web数据更新 <2ms mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms @@ -323,7 +452,7 @@ void loop() = pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) //LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关 */ - motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取 + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取负号是因为电机是反的 motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); // 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度 @@ -357,6 +486,15 @@ void loop() // Serial.print(",motor2.target:"); // Serial.println(motor2.target); + // 监测速度变化 + // int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last; + // if(speed_delta > 0){ + // Serial.print("speed_delta:"); + // Serial.print(speed_delta); + // Serial.print(",robot_speed:"); + // Serial.println(robot_speed); + // } + // 迭代计算FOC相电压 motor1.loopFOC(); motor2.loopFOC(); @@ -572,7 +710,8 @@ void leg_loop() void jump_loop() { // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 - if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + // if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) { // 跳跃开始 ACC[0] = 0; @@ -634,8 +773,8 @@ void web_loop() // yaw轴角度累加函数 void yaw_angle_addup() { - YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ(); - YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度 + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差 if (YAW_angle_zero_point == (-10)) { diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/angle_zeropoint测试.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/angle_zeropoint测试.cpp new file mode 100644 index 0000000..6bd178a --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/angle_zeropoint测试.cpp @@ -0,0 +1,842 @@ +// ----------------------------------------------------------------------------- +// Copyright (c) 2024 Mu Shibo +// Modify by Tommy 2025.8.11 +// ----------------------------------------------------------------------------- + +#include +#include +#include "esp_wifi.h" +#include "main.h" + +/************实例定义*************/ + +// 电机实例 +BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7); +BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7); +BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22); +BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12); + +// 编码器实例 +TwoWire I2Cone = TwoWire(0); +TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1); +MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); +MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); + +// PID控制器实例 +PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点 +PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点 +PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点 +PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度 +PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8); +PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4); +PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450); + +// 低通滤波器实例 +LowPassFilter lpf_joyy(0.2); +LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1); +LowPassFilter lpf_roll(0.3); + +// WebServer实例 +WebServer webserver; // server服务器 +WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息 +RobotProtocol rp(20); + +// STS舵机实例 +SMS_STS sms_sts; + +// MPU6050实例 +MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); + +/************参数定义*************/ +#define pi 3.1415927 + +// 舵机位置限制参数 +#define SERVO1_MIN 1900 // 舵机1最低 从小车正面看右手 +#define SERVO1_MAX 2400 // 舵机1最高 +#define SERVO2_MIN 2300 // 舵机2最低 从小车正面看左手(注意大小值与舵机1是相反的) +#define SERVO2_MAX 1800 // 舵机2最高 + +#define LEG_HEIGHT_BASE 32 // 腿部默认高度基准值 + +// LQR自平衡控制器参数 +float LQR_angle = 0; +float LQR_gyro = 0; +float LQR_gyroZ = 0; +float LQR_speed = 0; +float LQR_distance = 0; +float angle_control = 0; +float gyro_control = 0; +float speed_control = 0; +float distance_control = 0; +float LQR_u = 0; +float angle_zeropoint = 5; // 5 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 0.5f; // 轮部位移零点偏置 + +// YAW轴控制数据 +float YAW_gyro = 0; +float YAW_angle = 0; +float YAW_angle_last = 0; +float YAW_angle_total = 0; +float YAW_angle_zero_point = -10; +float YAW_output = 0; + + +// 腿部舵机控制数据 +byte ID[2]; +s16 Position[2]; +u16 Speed[2]; +byte ACC[2]; + +// 逻辑处理标志位 +float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速 +float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速 +int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识 +int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识 +float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量 + +// 电压检测 +uint16_t bat_check_num = 0; +int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC +static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; +static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7; +static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12; +static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_11; +static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1; + +int loopCounter = 0; // loop函数执行计数 +int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数 + +// 电量显示LED +#define LED_BAT 13 + +// 定义摇杆数值死区参数 +const int deadZone = 15; + +// 小车状态控制 +bool robot_enabled = true; // 小车使能状态，true为起立状态，false为坐下状态 +bool last_robot_enabled = true; // 记录上一次的小车状态 +bool sitting_down = false; // 标记是否正在执行坐下动作 +float original_angle_zeropoint = 5; // 保存原始的角度零点 + +typedef struct { + byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) + byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) + byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255) + byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255) + bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false + bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false + bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false + bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false + bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false + byte roll; // 默认 127 + byte pitch; // 默认 127 + bool buttonR3; // 默认 1 +} JoystickData; + +JoystickData remoteData; + +// 蓝灯爆闪 +bool lastbuttonLB = false; + +// ESP-NOW接收回调函数 +void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { + memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + + // Serial.println("收到数据"); + // Serial.print("j1PotX="); Serial.print(remoteData.j1PotX); + // Serial.print(", j1PotY="); Serial.print(remoteData.j1PotY); + // Serial.print(", j2PotX="); Serial.print(remoteData.j2PotX); + // Serial.println(", j2PotY="); Serial.println(remoteData.j2PotY); + // Serial.print(", buttonR1="); Serial.print(remoteData.buttonR1); + // Serial.print(", buttonR2="); Serial.print(remoteData.buttonR2); + // Serial.print(", j1Button="); Serial.print(remoteData.j1Button); + // Serial.print(", j2Button="); Serial.print(remoteData.j2Button); + // Serial.print(", buttonLB="); Serial.print(remoteData.buttonLB); + // Serial.print(", buttonRB="); Serial.println(remoteData.buttonRB); + // Serial.print(", tSwitch1="); Serial.print(remoteData.tSwitch1); + // Serial.print(", roll="); Serial.print(remoteData.roll); + // Serial.print(", pitch="); Serial.print(remoteData.pitch); + // Serial.print(", buttonR3="); Serial.println(remoteData.buttonR3); + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右按键（取反：默认0，按下1） + int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左按键（取反：默认0，按下1） + + + // 处理坐下/起立指令 + if (convertedbuttonR2) { // 底部左按键 头部翘起来 + angle_zeropoint --; + } + if (convertedbuttonR1) { // 底座有按键 头部下垂 + angle_zeropoint ++; + } + + // 跳跃状态不接受指令 + if( jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 强制设为“不跳跃” + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + return; + } + + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 + // roll 左右摇摆 + int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 + // 上下高度 + int convertedJ1PotY = static_cast((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降 + // 左右旋转 + int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100 + // 前后速度 + int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 + + + // 跳跃 + if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false + wrobot.dir = 5; // 跳跃 + }else{ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + } + + // led蓝灯爆闪 + if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB) { + blinkLed(); // 不能写在loop中，会阻断legloop，小车会倒下 + } + // 更新上次 lastbuttonRB 的值 + lastbuttonLB = convertedbuttonLB; + + if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75 + wrobot.height = convertedJ1PotY; + }else{ + wrobot.height = 0; + } + + if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30 + wrobot.roll = convertedJ1PotX; + }else{ + wrobot.roll = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100 + wrobot.joyy = convertedJ2PotY; + }else{ + wrobot.joyy = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100 + wrobot.joyx = convertedJ2PotX; + } else { + wrobot.joyx = 0; + } +} + +void setup() +{ + Serial.begin(115200); // 通讯串口 + Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + + // Wifi初始化 - 修改：设置通道为6 + WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为STA模式 + // 设置WiFi通道为6 + esp_wifi_set_channel(6, WIFI_SECOND_CHAN_NONE); + + // Wifi初始化 + // WiFi_SetAP(); + webserver.begin(); + webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); + websocket.begin(); + websocket.onEvent(webSocketEventCallback); + + // 初始化ESP-NOW + // WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + if (esp_now_init() != ESP_OK) { + Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); + return; + } + esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + + // Serial.print("WIFI channel:"); + // Serial.println(WiFi.channel()); + + // 舵机初始化 + sms_sts.pSerial = &Serial2; + ID[0] = 1; + ID[1] = 2; + ACC[0] = 30; + ACC[1] = 30; + Speed[0] = 400; + Speed[1] = 400; + Position[0] = 2048; + Position[1] = 2048; + // Position[0] = SERVO1_MIN; + // Position[1] = SERVO2_MIN; + // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + // 电压检测 + adc_calibration_init(); + adc1_config_width(width); + adc1_config_channel_atten(channel, atten); + esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars); + + // 电量显示LED + pinMode(LED_BAT, OUTPUT); + + // 编码器设置 + I2Cone.begin(19, 18, 400000UL); + I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL); + sensor1.init(&I2Cone); + sensor2.init(&I2Ctwo); + + // mpu6050设置 + mpu6050.begin(); + mpu6050.calcGyroOffsets(true); + + // 连接motor对象与编码器对象 + motor1.linkSensor(&sensor1); + motor2.linkSensor(&sensor2); + + // 速度环PID参数 + motor1.PID_velocity.P = 0.05; + motor1.PID_velocity.I = 1; + motor1.PID_velocity.D = 0; + + motor2.PID_velocity.P = 0.05; + motor2.PID_velocity.I = 1; + motor2.PID_velocity.D = 0; + + // 驱动器设置 + motor1.voltage_sensor_align = 6; + motor2.voltage_sensor_align = 6; + driver1.voltage_power_supply = 8; + driver2.voltage_power_supply = 8; + driver1.init(); + driver2.init(); + + // 连接motor对象与驱动器对象 + motor1.linkDriver(&driver1); + motor2.linkDriver(&driver2); + + motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage; // 扭矩控制器类型为 "电压模式" + motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage; + motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制器类型为 "扭矩模式" + motor2.controller = MotionControlType::torque; + + + // monitor相关设置 + motor1.useMonitoring(Serial); + motor2.useMonitoring(Serial); + // 电机初始化 + motor1.init(); + motor1.initFOC(); + motor2.init(); + motor2.initFOC(); + + resetToDefault(); // 重置到默认参数状态 + + delay(500); +} + +void loop() +{ + + bat_check(); // 电压检测 <1ms + web_loop(); // Web数据更新 <2ms + mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u ★ 关键实时控制 2-3ms + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output ★ 关键实时控制 1-2ms + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop 舵机控制 1ms + + // 记录上一次的遥控数据数据 + wrobot.dir_last = wrobot.dir; + wrobot.joyx_last = wrobot.joyx; + wrobot.joyy_last = wrobot.joyy; + + /* 将自平衡计算输出转矩赋给电机 + motor.target 负数小车向前转，正数小车向后转， + LQR_u 越大，电机输出的转矩越大，电机向后转，默认0-8V + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control + + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint) //LQR_u与实际LQR_angle正相关 + = pid_angle( mpu6050.getAngleY() - angle_zeropoint) //LQR_u与实际pitch正相关 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro) //LQR_u与实际LQR_gyro正相关 + = pid_gyro( mpu6050.getGyroY() ) //LQR_u与实际pitch 角速度 正相关 + + 所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5,不能单看负号 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint) //LQR_u与电LQR_distance正相关 + = pid_distance( (-0.5)*(motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle) - distance_zeropoint) + //在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以LQR_u与电机实际shaft_angle角度正相关，和负号没关系 + + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) // 实际速度-目标速度 + //LQR_speed代表实际速度，LQR_u与实际LQR_speed速度正相关 + = pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) + //LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关 + */ + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取 + motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度 + // Serial.println(LQR_angle); + + // 检测小车是否向后马上要倒地了，在中间过程重置所有参数 + loopCounter++; + // loopCounter作用：在期初的800次循环内视为电源开通后第一次自平衡，不能进入resetToDefault()函数重置参数 + // resetToDefaultCounterz作用：防止小车倒地后某个角度，陷入循环，motor.target一直=0 + if ((LQR_angle < -35.0f || LQR_angle > 70.0f ) && loopCounter > 800 && resetToDefaultCounter < 130) { + resetToDefault(); + resetToDefaultCounter++; + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + // Serial.println("resetToDefault"); + } + + if( abs(LQR_angle) < 25.0f){ + resetToDefaultCounter = 0; + } + + // target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速 + // Serial.print("LQR_angle:"); + // Serial.println(LQR_angle); + // // Serial.print(",loopCounter:"); + // // Serial.print(loopCounter); + // Serial.print(",resetToDefaultCounter:"); + // Serial.print(resetToDefaultCounter); + // // Serial.print(",motor1.target:"); + // // Serial.print(motor1.target); + // Serial.print(",motor2.target:"); + // Serial.println(motor2.target); + + // 监测速度变化 + // int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last; + // if(speed_delta > 0){ + // Serial.print("speed_delta:"); + // Serial.print(speed_delta); + // Serial.print(",robot_speed:"); + // Serial.println(robot_speed); + // } + + // 迭代计算FOC相电压 + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + + // 设置轮部电机输出 + motor1.move(); + motor2.move(); + +} // loop() + +// lqr自平衡控制 +void lqr_balance_loop() +{ + + // LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得 + // angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制 + // lqr 控制参数： angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control + + // LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试 + // LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint) + // + LQR_k2*LQR_gyro + // + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint) + // + LQR_k4*LQR_speed; + + // 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩驱动小车电机向后转 + // 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度 + // 不操作前后移动，譬如刚开机，车轮不动的，shaft_angle和shaft_velocity 都是零 + // 所以，不操作前后移动，LQR_distance 和 LQR_speed趋近于0，只有角度控制和角速度控制 + // 在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5 + LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值 + LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反 + LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数 + LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度 + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零 + // 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量 + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint); + // 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零 + // 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro); + + // 运动细节优化处理 + if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + // joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理 + if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0)) + { + wrobot_move_stop_flag = 1; + } + if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + wrobot_move_stop_flag = 0; + } + + if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + } + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零 + // 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint); + // 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零 + // 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量 + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)); + + // 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速 + robot_speed_last = robot_speed; // 记录连续两次的轮部转速 + robot_speed = LQR_speed; + // 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理 + // 轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + LQR_u = angle_control + gyro_control; // 位移和速度控制分量被忽略 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + else // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数 + { + // 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制 + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行 + + } + + // 小车没有控制的时候自稳定状态 + // 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0 + if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0)) + { + + LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿 + // Serial.println(LQR_u); + + // lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。 + // 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。 + // angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。 + // angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。 + angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应 + } + else + { + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + + // 平衡控制参数自适应 + if (wrobot.height < 50) + { + pid_speed.P = 0.7; + } + else if (wrobot.height < 64) + { + pid_speed.P = 0.6; + } + else + { + pid_speed.P = 0.5; + } + +} + +// 腿部动作控制（舵机） +void leg_loop() +{ + + // 倒地时强制腿部收缩 + if (LQR_angle < -30.0f || LQR_angle > 45.0f) + { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + return; // 跳过后续控制 + } + + jump_loop(); + + if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态 + { + // 舵机加速度 + ACC[0] = 8; + ACC[1] = 8; + + // 舵机速度 + Speed[0] = 300; + Speed[1] = 300; + float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0; + leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle)); + + int roll_offset = wrobot.roll; + int left_height, right_height; + + // Serial.print("roll_offset: "); + // Serial.println(roll_offset); + + // 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度 + // 计算三角函数值 + float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度 + float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度) + float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了 + if (roll_offset > 10) { + // 正数，左脚高度 60，右脚高度 40 + // 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了 + left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算 + } else if (roll_offset < -10) { + // 负数，左脚高度 40，右脚高度 60 + left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + leg_position_add = 0; + } else { // 未控制 roll 角度 + // roll 为 0，左右恢复到同一高度 + left_height = wrobot.height; + right_height = wrobot.height; + // 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳 + // 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看 + if (abs(LQR_angle) > 25.0f) + { + leg_position_add = 0; + } + } + + // 根据新的高度计算舵机位置 + // id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1] + // 舵机id 1：1900（机身最矮） 2400（机身最高）2400-1900=500 + // 舵机id 2：2300（机身最矮） 1800（机身最高）2300-1800=500 + // 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32 + // const int LEG_HEIGHT_BASE = 32; // 这值越小，机身越高，实测范围 0（最高）-52（最低） + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低 + Position[0] = SERVO1_MIN; + else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高 + Position[0] = SERVO1_MAX; + + if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的） + Position[1] = SERVO2_MIN; + else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高 + Position[1] = SERVO2_MAX; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } +} + +// 跳跃控制 +void jump_loop() +{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 + // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 + // if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) + { + // 跳跃开始 + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = SERVO1_MAX; + Position[1] = SERVO2_MAX; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 1; + + } + if (jump_flag > 0) // 跳跃中，腿部缩起来，等待30帧，对应上面设置 jump_flag = 1; + { + jump_flag++; + + if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) + { + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (35 - 32); // 降低腿部高度，即车重心 + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (35 - 32); + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 40; + } + if (jump_flag > 200) + { + jump_flag = 0; // 跳跃过程结束 + } + } +} + +// yaw轴转向控制 （转向控制） +void yaw_loop() +{ + // YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro); + yaw_angle_addup(); + + YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.01; // 0.002 + float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total); + float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro); + // yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。 + // 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。 + YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control; +} + +// Web数据更新 +void web_loop() +{ + webserver.handleClient(); + websocket.loop(); + rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息 +} + +// yaw轴角度累加函数 +void yaw_angle_addup() +{ + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度 + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差 + + if (YAW_angle_zero_point == (-10)) + { + YAW_angle_zero_point = YAW_angle; + } + + float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle; + if (YAW_angle > YAW_angle_last) + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI; + } + else + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI; + } + + if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2)) + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_2; + } + else + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_1; + } + + YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle; + YAW_angle_last = YAW_angle; +} + +void basicWebCallback(void) +{ + webserver.send(300, "text/html", basic_web); +} + +void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length) +{ + if (type == WStype_TEXT) + { + String payload_str = String((char *)payload); + StaticJsonDocument<300> doc; + DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str); + + String mode_str = doc["mode"]; + if (mode_str == "basic") + { + rp.parseBasic(doc); + } + } +} + +// 电压检测初始化 +void adc_calibration_init() +{ + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Two Point: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Two Point: NOT supported\n"); + } + // Check Vref is burned into eFuse + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Vref: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Vref: NOT supported\n"); + } +} + +// 电压检测 +void bat_check() +{ + if (bat_check_num > 1000) + { + // 电压读取 + uint32_t sum = 0; + sum = analogRead(BAT_PIN); + uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars); + double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0; + + // Serial.println(battery); + // 电量显示 + if (battery > 7.8) + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + else + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + + bat_check_num = 0; + } + else + bat_check_num++; +} + +// LED闪烁函数(不要用for，会阻塞其他程序) +void blinkLed() { + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); +} + +// 重置到默认参数状态，用于自平衡起立 +void resetToDefault() { + + angle_zeropoint = 5; + + LQR_speed = 0; + LQR_distance = 0; + speed_control = 0; + distance_control = 0; + distance_zeropoint = 0.5f; + LQR_u = 0; + + // YAW轴控制数据 + YAW_gyro = 0; + YAW_angle = 0; + YAW_angle_last = 0; + YAW_angle_total = 0; + YAW_angle_zero_point = -10; + YAW_output = 0; + + // 逻辑处理标志位 + robot_speed = 0; + robot_speed_last = 0; + wrobot_move_stop_flag = 0; + jump_flag = 0; + leg_position_add = 0; + + pid_lqr_u.error_prev = 0; + + +} \ No newline at end of file diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/basic_web_NEW.html b/Shibo-main-TOMMY/test/basic_web_NEW.html new file mode 100644 index 0000000..0bfae50 --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/basic_web_NEW.html @@ -0,0 +1,549 @@ + + + + + + 控制器 + + + +

控制器

+ +
未连接
+ +
+ + +
+ +
+ +
+
摇摆
+
+
+ + +
+
左右
+
+
+ + +
+
高度
+
+
+ + +
+
前后
+
+
+
+ + + + \ No newline at end of file diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/main 坐下站立.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/main 坐下站立.cpp new file mode 100644 index 0000000..89ae80b --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/main 坐下站立.cpp @@ -0,0 +1,926 @@ +// ----------------------------------------------------------------------------- +// Copyright (c) 2024 Mu Shibo +// Modify by Tommy 2025.8.11 +// ----------------------------------------------------------------------------- + +#include +#include +#include "esp_wifi.h" +#include "main.h" + +/************实例定义*************/ + +// 电机实例 +BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7); +BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7); +BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22); +BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12); + +// 编码器实例 +TwoWire I2Cone = TwoWire(0); +TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1); +MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); +MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); + +// PID控制器实例 +PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点 +PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点 +PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点 +PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度 +PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8); +PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4); +PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450); + +// 低通滤波器实例 +LowPassFilter lpf_joyy(0.2); +LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1); +LowPassFilter lpf_roll(0.3); + +// WebServer实例 +WebServer webserver; // server服务器 +WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息 +RobotProtocol rp(20); + +// STS舵机实例 +SMS_STS sms_sts; + +// MPU6050实例 +MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); + +/************参数定义*************/ +#define pi 3.1415927 + +// 舵机位置限制参数 +#define SERVO1_MIN 1900 // 舵机1最低 从小车正面看右手 +#define SERVO1_MAX 2400 // 舵机1最高 +#define SERVO2_MIN 2300 // 舵机2最低 从小车正面看左手(注意大小值与舵机1是相反的) +#define SERVO2_MAX 1800 // 舵机2最高 + +#define LEG_HEIGHT_BASE 32 // 腿部默认高度基准值 + +// LQR自平衡控制器参数 +float LQR_angle = 0; +float LQR_gyro = 0; +float LQR_gyroZ = 0; +float LQR_speed = 0; +float LQR_distance = 0; +float angle_control = 0; +float gyro_control = 0; +float speed_control = 0; +float distance_control = 0; +float LQR_u = 0; +float angle_zeropoint = 5; // 5 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 0.5f; // 轮部位移零点偏置 + +// YAW轴控制数据 +float YAW_gyro = 0; +float YAW_angle = 0; +float YAW_angle_last = 0; +float YAW_angle_total = 0; +float YAW_angle_zero_point = -10; +float YAW_output = 0; + + +// 腿部舵机控制数据 +byte ID[2]; +s16 Position[2]; +u16 Speed[2]; +byte ACC[2]; + +// 逻辑处理标志位 +float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速 +float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速 +int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识 +int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识 +float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量 + +// 电压检测 +uint16_t bat_check_num = 0; +int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC +static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; +static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7; +static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12; +static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_11; +static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1; + +int loopCounter = 0; // loop函数执行计数 +int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数 + +// 电量显示LED +#define LED_BAT 13 + +// 定义摇杆数值死区参数 +const int deadZone = 15; + +// 小车状态控制 +bool robot_enabled = true; // 小车使能状态，true为起立状态，false为坐下状态 +bool last_robot_enabled = true; // 记录上一次的小车状态 +bool sitting_down = false; // 标记是否正在执行坐下动作 +float original_angle_zeropoint = 5; // 保存原始的角度零点 + +typedef struct { + byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) + byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) + byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255) + byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255) + bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false + bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false + bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false + bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false + bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false + byte roll; // 默认 127 + byte pitch; // 默认 127 + bool buttonR3; // 默认 1 +} JoystickData; + +JoystickData remoteData; + +// 蓝灯爆闪 +bool lastbuttonLB = false; + +// ESP-NOW接收回调函数 +void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { + memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + + // Serial.println("收到数据"); + // Serial.print("j1PotX="); Serial.print(remoteData.j1PotX); + // Serial.print(", j1PotY="); Serial.print(remoteData.j1PotY); + // Serial.print(", j2PotX="); Serial.print(remoteData.j2PotX); + // Serial.println(", j2PotY="); Serial.println(remoteData.j2PotY); + // Serial.print(", buttonR1="); Serial.print(remoteData.buttonR1); + // Serial.print(", buttonR2="); Serial.print(remoteData.buttonR2); + // Serial.print(", j1Button="); Serial.print(remoteData.j1Button); + // Serial.print(", j2Button="); Serial.print(remoteData.j2Button); + // Serial.print(", buttonLB="); Serial.print(remoteData.buttonLB); + // Serial.print(", buttonRB="); Serial.println(remoteData.buttonRB); + // Serial.print(", tSwitch1="); Serial.print(remoteData.tSwitch1); + // Serial.print(", roll="); Serial.print(remoteData.roll); + // Serial.print(", pitch="); Serial.print(remoteData.pitch); + // Serial.print(", buttonR3="); Serial.println(remoteData.buttonR3); + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右按键（取反：默认0，按下1） + int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左按键（取反：默认0，按下1） + + + // 处理坐下/起立指令 + if (convertedbuttonR2 && robot_enabled) { // 底部左按键按下，坐下 + robot_enabled = false; + sitting_down = true; // 标记开始坐下动作 + original_angle_zeropoint = angle_zeropoint; // 保存当前的角度零点 + } + if (convertedbuttonR1 && !robot_enabled) { // 底部右按键按下，起立 + robot_enabled = true; + sitting_down = false; // 清除坐下动作标记 + resetToDefault(); // 重置参数准备起立 + } + + // 如果小车处于坐下状态或正在执行坐下动作，不处理其他指令 + if (!robot_enabled || sitting_down) { + wrobot.dir = 4; // 强制设为"不跳跃" + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + wrobot.height = 0; // 清空高度指令 + return; + } + + // 跳跃状态不接受指令 + if( jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 强制设为“不跳跃” + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + return; + } + + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 + // roll 左右摇摆 + int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 + // 上下高度 + int convertedJ1PotY = static_cast((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降 + // 左右旋转 + int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100 + // 前后速度 + int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 + + + // 跳跃 + if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false + wrobot.dir = 5; // 跳跃 + }else{ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + } + + // led蓝灯爆闪 + if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB) { + blinkLed(); // 不能写在loop中，会阻断legloop，小车会倒下 + } + // 更新上次 lastbuttonRB 的值 + lastbuttonLB = convertedbuttonLB; + + if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75 + wrobot.height = convertedJ1PotY; + }else{ + wrobot.height = 0; + } + + if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30 + wrobot.roll = convertedJ1PotX; + }else{ + wrobot.roll = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100 + wrobot.joyy = convertedJ2PotY; + }else{ + wrobot.joyy = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100 + wrobot.joyx = convertedJ2PotX; + } else { + wrobot.joyx = 0; + } +} + +void setup() +{ + Serial.begin(115200); // 通讯串口 + Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + + // Wifi初始化 - 修改：设置通道为6 + WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为STA模式 + // 设置WiFi通道为6 + esp_wifi_set_channel(6, WIFI_SECOND_CHAN_NONE); + + // Wifi初始化 + // WiFi_SetAP(); + webserver.begin(); + webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); + websocket.begin(); + websocket.onEvent(webSocketEventCallback); + + // 初始化ESP-NOW + // WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + if (esp_now_init() != ESP_OK) { + Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); + return; + } + esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + + // Serial.print("WIFI channel:"); + // Serial.println(WiFi.channel()); + + // 舵机初始化 + sms_sts.pSerial = &Serial2; + ID[0] = 1; + ID[1] = 2; + ACC[0] = 30; + ACC[1] = 30; + Speed[0] = 400; + Speed[1] = 400; + Position[0] = 2048; + Position[1] = 2048; + // Position[0] = SERVO1_MIN; + // Position[1] = SERVO2_MIN; + // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + // 电压检测 + adc_calibration_init(); + adc1_config_width(width); + adc1_config_channel_atten(channel, atten); + esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars); + + // 电量显示LED + pinMode(LED_BAT, OUTPUT); + + // 编码器设置 + I2Cone.begin(19, 18, 400000UL); + I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL); + sensor1.init(&I2Cone); + sensor2.init(&I2Ctwo); + + // mpu6050设置 + mpu6050.begin(); + mpu6050.calcGyroOffsets(true); + + // 连接motor对象与编码器对象 + motor1.linkSensor(&sensor1); + motor2.linkSensor(&sensor2); + + // 速度环PID参数 + motor1.PID_velocity.P = 0.05; + motor1.PID_velocity.I = 1; + motor1.PID_velocity.D = 0; + + motor2.PID_velocity.P = 0.05; + motor2.PID_velocity.I = 1; + motor2.PID_velocity.D = 0; + + // 驱动器设置 + motor1.voltage_sensor_align = 6; + motor2.voltage_sensor_align = 6; + driver1.voltage_power_supply = 8; + driver2.voltage_power_supply = 8; + driver1.init(); + driver2.init(); + + // 连接motor对象与驱动器对象 + motor1.linkDriver(&driver1); + motor2.linkDriver(&driver2); + + motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage; // 扭矩控制器类型为 "电压模式" + motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage; + motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制器类型为 "扭矩模式" + motor2.controller = MotionControlType::torque; + + + // monitor相关设置 + motor1.useMonitoring(Serial); + motor2.useMonitoring(Serial); + // 电机初始化 + motor1.init(); + motor1.initFOC(); + motor2.init(); + motor2.initFOC(); + + resetToDefault(); // 重置到默认参数状态 + + delay(500); +} + +void loop() +{ + + // 检测小车状态变化 坐 -> 站 + if (robot_enabled && !last_robot_enabled) { + // 从坐下状态变为起立状态，重置参数 + resetToDefault(); + } + last_robot_enabled = robot_enabled; + + // 如果小车处于坐下状态，只执行必要的功能 + if (!robot_enabled) { + bat_check(); // 电压检测 + web_loop(); // Web数据更新 + mpu6050.update(); // IMU数据更新 + + // 设置电机目标为0，停止电机 + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + motor1.move(); + motor2.move(); + + // 如果正在执行坐下动作，逐步调整角度零点让小车向后倒 + if (sitting_down) { + // 缓慢调整角度零点，使小车向后倒 + static int sit_counter = 0; + sit_counter++; + + if (sit_counter < 100) { // 分100步完成坐下动作 + // 逐步将角度零点从原始值调整到-15（向后倒） + angle_zeropoint = original_angle_zeropoint - (sit_counter * (original_angle_zeropoint + 15) / 100); + + // 同时逐步降低腿部高度 + int target_height = 60 - (sit_counter * 60 / 100); // 从60降到0 + + // 计算舵机位置 + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (target_height - LEG_HEIGHT_BASE); + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (target_height - LEG_HEIGHT_BASE); + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) Position[0] = SERVO1_MIN; + if (Position[0] > SERVO1_MAX) Position[0] = SERVO1_MAX; + if (Position[1] > SERVO2_MIN) Position[1] = SERVO2_MIN; + if (Position[1] < SERVO2_MAX) Position[1] = SERVO2_MAX; + + // 设置舵机速度较慢，确保平稳坐下 + Speed[0] = 100; + Speed[1] = 100; + ACC[0] = 5; + ACC[1] = 5; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } else { + // 坐下动作完成，设置到最低位置和最终角度零点 + sitting_down = false; + angle_zeropoint = -15; // 最终的角度零点，确保小车向后倒 + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } + } else { + // 已经坐下，保持最低位置和向后倒的角度零点 + angle_zeropoint = -15; // 保持向后倒的角度零点 + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } + + return; // 跳过其他控制 + } + + bat_check(); // 电压检测 <1ms + web_loop(); // Web数据更新 <2ms + mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u ★ 关键实时控制 2-3ms + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output ★ 关键实时控制 1-2ms + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop 舵机控制 1ms + + // 记录上一次的遥控数据数据 + wrobot.dir_last = wrobot.dir; + wrobot.joyx_last = wrobot.joyx; + wrobot.joyy_last = wrobot.joyy; + + /* 将自平衡计算输出转矩赋给电机 + motor.target 负数小车向前转，正数小车向后转， + LQR_u 越大，电机输出的转矩越大，电机向后转，默认0-8V + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control + + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint) //LQR_u与实际LQR_angle正相关 + = pid_angle( mpu6050.getAngleY() - angle_zeropoint) //LQR_u与实际pitch正相关 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro) //LQR_u与实际LQR_gyro正相关 + = pid_gyro( mpu6050.getGyroY() ) //LQR_u与实际pitch 角速度 正相关 + + 所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5,不能单看负号 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint) //LQR_u与电LQR_distance正相关 + = pid_distance( (-0.5)*(motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle) - distance_zeropoint) + //在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以LQR_u与电机实际shaft_angle角度正相关，和负号没关系 + + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) // 实际速度-目标速度 + //LQR_speed代表实际速度，LQR_u与实际LQR_speed速度正相关 + = pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) + //LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关 + */ + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取 + motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度 + // Serial.println(LQR_angle); + + // 检测小车是否向后马上要倒地了，在中间过程重置所有参数 + loopCounter++; + // loopCounter作用：在期初的800次循环内视为电源开通后第一次自平衡，不能进入resetToDefault()函数重置参数 + // resetToDefaultCounterz作用：防止小车倒地后某个角度，陷入循环，motor.target一直=0 + if ((LQR_angle < -35.0f || LQR_angle > 70.0f ) && loopCounter > 800 && resetToDefaultCounter < 130) { + resetToDefault(); + resetToDefaultCounter++; + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + // Serial.println("resetToDefault"); + } + + if( abs(LQR_angle) < 25.0f){ + resetToDefaultCounter = 0; + } + + // target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速 + // Serial.print("LQR_angle:"); + // Serial.println(LQR_angle); + // // Serial.print(",loopCounter:"); + // // Serial.print(loopCounter); + // Serial.print(",resetToDefaultCounter:"); + // Serial.print(resetToDefaultCounter); + // // Serial.print(",motor1.target:"); + // // Serial.print(motor1.target); + // Serial.print(",motor2.target:"); + // Serial.println(motor2.target); + + // 监测速度变化 + // int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last; + // if(speed_delta > 0){ + // Serial.print("speed_delta:"); + // Serial.print(speed_delta); + // Serial.print(",robot_speed:"); + // Serial.println(robot_speed); + // } + + // 迭代计算FOC相电压 + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + + // 设置轮部电机输出 + motor1.move(); + motor2.move(); + +} // loop() + +// lqr自平衡控制 +void lqr_balance_loop() +{ + + // LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得 + // angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制 + // lqr 控制参数： angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control + + // LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试 + // LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint) + // + LQR_k2*LQR_gyro + // + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint) + // + LQR_k4*LQR_speed; + + // 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩驱动小车电机向后转 + // 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度 + // 不操作前后移动，譬如刚开机，车轮不动的，shaft_angle和shaft_velocity 都是零 + // 所以，不操作前后移动，LQR_distance 和 LQR_speed趋近于0，只有角度控制和角速度控制 + // 在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5 + LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值 + LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反 + LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数 + LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度 + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零 + // 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量 + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint); + // 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零 + // 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro); + + // 运动细节优化处理 + if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + // joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理 + if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0)) + { + wrobot_move_stop_flag = 1; + } + if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + wrobot_move_stop_flag = 0; + } + + if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + } + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零 + // 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint); + // 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零 + // 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量 + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)); + + // 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速 + robot_speed_last = robot_speed; // 记录连续两次的轮部转速 + robot_speed = LQR_speed; + // 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理 + // 轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + LQR_u = angle_control + gyro_control; // 位移和速度控制分量被忽略 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + else // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数 + { + // 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制 + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行 + + } + + // 小车没有控制的时候自稳定状态 + // 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0 + if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0)) + { + + LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿 + // Serial.println(LQR_u); + + // lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。 + // 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。 + // angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。 + // angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。 + angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应 + } + else + { + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + + // 平衡控制参数自适应 + if (wrobot.height < 50) + { + pid_speed.P = 0.7; + } + else if (wrobot.height < 64) + { + pid_speed.P = 0.6; + } + else + { + pid_speed.P = 0.5; + } + +} + +// 腿部动作控制（舵机） +void leg_loop() +{ + + // 倒地时强制腿部收缩 + if (LQR_angle < -30.0f || LQR_angle > 45.0f) + { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + return; // 跳过后续控制 + } + + jump_loop(); + + if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态 + { + // 舵机加速度 + ACC[0] = 8; + ACC[1] = 8; + + // 舵机速度 + Speed[0] = 300; + Speed[1] = 300; + float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0; + leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle)); + + int roll_offset = wrobot.roll; + int left_height, right_height; + + // Serial.print("roll_offset: "); + // Serial.println(roll_offset); + + // 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度 + // 计算三角函数值 + float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度 + float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度) + float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了 + if (roll_offset > 10) { + // 正数，左脚高度 60，右脚高度 40 + // 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了 + left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算 + } else if (roll_offset < -10) { + // 负数，左脚高度 40，右脚高度 60 + left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + leg_position_add = 0; + } else { // 未控制 roll 角度 + // roll 为 0，左右恢复到同一高度 + left_height = wrobot.height; + right_height = wrobot.height; + // 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳 + // 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看 + if (abs(LQR_angle) > 25.0f) + { + leg_position_add = 0; + } + } + + // 根据新的高度计算舵机位置 + // id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1] + // 舵机id 1：1900（机身最矮） 2400（机身最高）2400-1900=500 + // 舵机id 2：2300（机身最矮） 1800（机身最高）2300-1800=500 + // 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32 + // const int LEG_HEIGHT_BASE = 32; // 这值越小，机身越高，实测范围 0（最高）-52（最低） + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低 + Position[0] = SERVO1_MIN; + else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高 + Position[0] = SERVO1_MAX; + + if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的） + Position[1] = SERVO2_MIN; + else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高 + Position[1] = SERVO2_MAX; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } +} + +// 跳跃控制 +void jump_loop() +{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 + // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 + // if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) + { + // 跳跃开始 + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = SERVO1_MAX; + Position[1] = SERVO2_MAX; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 1; + + } + if (jump_flag > 0) // 跳跃中，腿部缩起来，等待30帧，对应上面设置 jump_flag = 1; + { + jump_flag++; + + if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) + { + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (35 - 32); // 降低腿部高度，即车重心 + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (35 - 32); + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 40; + } + if (jump_flag > 200) + { + jump_flag = 0; // 跳跃过程结束 + } + } +} + +// yaw轴转向控制 （转向控制） +void yaw_loop() +{ + // YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro); + yaw_angle_addup(); + + YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.01; // 0.002 + float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total); + float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro); + // yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。 + // 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。 + YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control; +} + +// Web数据更新 +void web_loop() +{ + webserver.handleClient(); + websocket.loop(); + rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息 +} + +// yaw轴角度累加函数 +void yaw_angle_addup() +{ + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度 + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差 + + if (YAW_angle_zero_point == (-10)) + { + YAW_angle_zero_point = YAW_angle; + } + + float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle; + if (YAW_angle > YAW_angle_last) + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI; + } + else + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI; + } + + if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2)) + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_2; + } + else + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_1; + } + + YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle; + YAW_angle_last = YAW_angle; +} + +void basicWebCallback(void) +{ + webserver.send(300, "text/html", basic_web); +} + +void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length) +{ + if (type == WStype_TEXT) + { + String payload_str = String((char *)payload); + StaticJsonDocument<300> doc; + DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str); + + String mode_str = doc["mode"]; + if (mode_str == "basic") + { + rp.parseBasic(doc); + } + } +} + +// 电压检测初始化 +void adc_calibration_init() +{ + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Two Point: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Two Point: NOT supported\n"); + } + // Check Vref is burned into eFuse + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Vref: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Vref: NOT supported\n"); + } +} + +// 电压检测 +void bat_check() +{ + if (bat_check_num > 1000) + { + // 电压读取 + uint32_t sum = 0; + sum = analogRead(BAT_PIN); + uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars); + double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0; + + // Serial.println(battery); + // 电量显示 + if (battery > 7.8) + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + else + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + + bat_check_num = 0; + } + else + bat_check_num++; +} + +// LED闪烁函数(不要用for，会阻塞其他程序) +void blinkLed() { + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); +} + +// 重置到默认参数状态，用于自平衡起立 +void resetToDefault() { + + angle_zeropoint = 5; + + LQR_speed = 0; + LQR_distance = 0; + speed_control = 0; + distance_control = 0; + distance_zeropoint = 0.5f; + LQR_u = 0; + + // YAW轴控制数据 + YAW_gyro = 0; + YAW_angle = 0; + YAW_angle_last = 0; + YAW_angle_total = 0; + YAW_angle_zero_point = -10; + YAW_output = 0; + + // 逻辑处理标志位 + robot_speed = 0; + robot_speed_last = 0; + wrobot_move_stop_flag = 0; + jump_flag = 0; + leg_position_add = 0; + + pid_lqr_u.error_prev = 0; + + +} \ No newline at end of file diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/main.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/main.cpp index 650c449..4f8e63d 100644 --- a/Shibo-main-TOMMY/test/main.cpp +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/main.cpp @@ -5,6 +5,7 @@ #include #include +#include "esp_wifi.h" #include "main.h" /************实例定义*************/ @@ -62,6 +63,7 @@ MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); // LQR自平衡控制器参数 float LQR_angle = 0; float LQR_gyro = 0; +float LQR_gyroZ = 0; float LQR_speed = 0; float LQR_distance = 0; float angle_control = 0; @@ -69,8 +71,8 @@ float gyro_control = 0; float speed_control = 0; float distance_control = 0; float LQR_u = 0; -float angle_zeropoint = 5; // 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 -float distance_zeropoint = 1; // 轮部位移零点偏置 +float angle_zeropoint = 5; // 5 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 0.5f; // 轮部位移零点偏置 // YAW轴控制数据 float YAW_gyro = 0; @@ -124,9 +126,9 @@ typedef struct { bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false - byte roll; //用于M5StackCore2或未来增加的陀螺仪功能 - byte pitch; - bool buttonR3; + byte roll; // 默认 127 + byte pitch; // 默认 127 + bool buttonR3; // 默认 1 } JoystickData; JoystickData remoteData; @@ -138,6 +140,31 @@ bool lastbuttonLB = false; void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + // Serial.println("收到数据"); + // Serial.print("j1PotX="); Serial.print(remoteData.j1PotX); + // Serial.print(", j1PotY="); Serial.print(remoteData.j1PotY); + // Serial.print(", j2PotX="); Serial.print(remoteData.j2PotX); + // Serial.println(", j2PotY="); Serial.println(remoteData.j2PotY); + // Serial.print(", buttonR1="); Serial.print(remoteData.buttonR1); + // Serial.print(", buttonR2="); Serial.print(remoteData.buttonR2); + // Serial.print(", j1Button="); Serial.print(remoteData.j1Button); + // Serial.print(", j2Button="); Serial.print(remoteData.j2Button); + // Serial.print(", buttonLB="); Serial.print(remoteData.buttonLB); + // Serial.print(", buttonRB="); Serial.println(remoteData.buttonRB); + // Serial.print(", tSwitch1="); Serial.print(remoteData.tSwitch1); + // Serial.print(", roll="); Serial.print(remoteData.roll); + // Serial.print(", pitch="); Serial.print(remoteData.pitch); + // Serial.print(", buttonR3="); Serial.println(remoteData.buttonR3); + + // 跳跃状态不接受指令 + if( jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 强制设为“不跳跃” + wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令 + wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令 + wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令 + return; + } + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 // roll 左右摇摆 int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 @@ -151,6 +178,8 @@ void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右按键（取反：默认0，按下1） + int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左按键（取反：默认0，按下1） // 跳跃 if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false @@ -194,21 +223,29 @@ void setup() Serial.begin(115200); // 通讯串口 Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + // Wifi初始化 - 修改：设置通道为6 + WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为STA模式 + // 设置WiFi通道为6 + esp_wifi_set_channel(6, WIFI_SECOND_CHAN_NONE); + // Wifi初始化 - WiFi_SetAP(); + // WiFi_SetAP(); webserver.begin(); webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); websocket.begin(); websocket.onEvent(webSocketEventCallback); // 初始化ESP-NOW - WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + // WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 if (esp_now_init() != ESP_OK) { Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + // Serial.print("WIFI channel:"); + // Serial.println(WiFi.channel()); + // 舵机初始化 sms_sts.pSerial = &Serial2; ID[0] = 1; @@ -217,10 +254,10 @@ void setup() ACC[1] = 30; Speed[0] = 400; Speed[1] = 400; - // Position[0] = 2048; - // Position[1] = 2048; - Position[0] = SERVO1_MIN; - Position[1] = SERVO2_MIN; + Position[0] = 2048; + Position[1] = 2048; + // Position[0] = SERVO1_MIN; + // Position[1] = SERVO2_MIN; // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); @@ -284,18 +321,19 @@ void setup() motor2.initFOC(); resetToDefault(); // 重置到默认参数状态 + delay(500); } void loop() { - bat_check(); // 电压检测 - web_loop(); // Web数据更新 - mpu6050.update(); // IMU数据更新 - lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u - yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output - leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop + bat_check(); // 电压检测 <1ms + web_loop(); // Web数据更新 <2ms + mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u ★ 关键实时控制 2-3ms + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output ★ 关键实时控制 1-2ms + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop 舵机控制 1ms // 记录上一次的遥控数据数据 wrobot.dir_last = wrobot.dir; @@ -346,12 +384,25 @@ void loop() // target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速 // Serial.print("LQR_angle:"); - // Serial.print(LQR_angle); - // Serial.print(",motor1.target:"); - // Serial.print(motor1.target); + // Serial.println(LQR_angle); + // // Serial.print(",loopCounter:"); + // // Serial.print(loopCounter); + // Serial.print(",resetToDefaultCounter:"); + // Serial.print(resetToDefaultCounter); + // // Serial.print(",motor1.target:"); + // // Serial.print(motor1.target); // Serial.print(",motor2.target:"); // Serial.println(motor2.target); + // 监测速度变化 + // int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last; + // if(speed_delta > 0){ + // Serial.print("speed_delta:"); + // Serial.print(speed_delta); + // Serial.print(",robot_speed:"); + // Serial.println(robot_speed); + // } + // 迭代计算FOC相电压 motor1.loopFOC(); motor2.loopFOC(); @@ -359,6 +410,7 @@ void loop() // 设置轮部电机输出 motor1.move(); motor2.move(); + } // loop() // lqr自平衡控制 @@ -566,17 +618,9 @@ void leg_loop() void jump_loop() { // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 - if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + // if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) { - // 设定最大正向电压（快速加速） - // motor1.target = -8.0f; - // motor2.target = -8.0f; - // motor1.loopFOC(); - // motor2.loopFOC(); - // motor1.move(); - // motor2.move(); - // delay(50); // 缩短加速时间（50ms足够获得初速度） - // 跳跃开始 ACC[0] = 0; ACC[1] = 0; @@ -593,11 +637,6 @@ void jump_loop() { jump_flag++; - // if (jump_flag == 25) { // 跳跃上升阶段停止轮子转动 - // motor1.target = 0; - // motor2.target = 0; - // } - if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) { ACC[0] = 0; @@ -642,8 +681,8 @@ void web_loop() // yaw轴角度累加函数 void yaw_angle_addup() { - YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ(); - YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度 + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差 if (YAW_angle_zero_point == (-10)) { @@ -756,18 +795,14 @@ void blinkLed() { // 重置到默认参数状态，用于自平衡起立 void resetToDefault() { - // LQR自平衡控制器参数 - LQR_angle = 0; - LQR_gyro = 0; - angle_control = 0; - gyro_control = 0; + angle_zeropoint = 5; LQR_speed = 0; LQR_distance = 0; speed_control = 0; distance_control = 0; - distance_zeropoint = 1; + distance_zeropoint = 0.5f; LQR_u = 0; // YAW轴控制数据 @@ -787,6 +822,5 @@ void resetToDefault() { pid_lqr_u.error_prev = 0; - - + } \ No newline at end of file diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/超声波版本.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/超声波版本.cpp new file mode 100644 index 0000000..53f4f82 --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/超声波版本.cpp @@ -0,0 +1,907 @@ +// ----------------------------------------------------------------------------- +// Copyright (c) 2024 Mu Shibo +// Modify by Tommy 2025.8.11 +// ----------------------------------------------------------------------------- + +#include +#include +#include "main.h" + +/************实例定义*************/ + +// 电机实例 +BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7); +BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7); +BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22); +BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12); + +// 编码器实例 +TwoWire I2Cone = TwoWire(0); +TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1); +MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); +MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); + +// PID控制器实例 +PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点 +PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点 +PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点 +PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度 +PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8);// 1.0 左右偏航角度的PID +PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8);// 0.04 左右偏航角速度（转速）的PID +PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8); +PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4); +PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450); + +// 低通滤波器实例 +LowPassFilter lpf_joyy(0.2); +LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1); +LowPassFilter lpf_roll(0.3); + +// WebServer实例 +WebServer webserver; // server服务器 +WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息 +RobotProtocol rp(20); + +// STS舵机实例 +SMS_STS sms_sts; + +// MPU6050实例 +MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); + +/************参数定义*************/ +#define pi 3.1415927 + +// 舵机位置限制参数 +#define SERVO1_MIN 1900 // 舵机1最低 从小车正面看右手 +#define SERVO1_MAX 2400 // 舵机1最高 +#define SERVO2_MIN 2300 // 舵机2最低 从小车正面看左手(注意大小值与舵机1是相反的) +#define SERVO2_MAX 1800 // 舵机2最高 + +#define LEG_HEIGHT_BASE 32 // 腿部默认高度基准值 + +// LQR自平衡控制器参数 +float LQR_angle = 0; +float LQR_gyro = 0; +float LQR_gyroZ = 0; +float LQR_speed = 0; +float LQR_distance = 0; +float angle_control = 0; +float gyro_control = 0; +float speed_control = 0; +float distance_control = 0; +float LQR_u = 0; +float angle_zeropoint = 5; // 5 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 0.5f; // 轮部位移零点偏置 + +// YAW轴控制数据 +float YAW_gyro = 0; +float YAW_angle = 0; +float YAW_angle_last = 0; +float YAW_angle_total = 0; +float YAW_angle_zero_point = -10; // 初始值 +float YAW_output = 0; + +// 腿部舵机控制数据 +byte ID[2]; +s16 Position[2]; +u16 Speed[2]; +byte ACC[2]; + +// 逻辑处理标志位 +float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速 +float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速 +int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识 +int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识 +float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量 + +// 电压检测 +uint16_t bat_check_num = 0; +int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC +static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; +static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7; +static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12; +static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_11; +static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1; + +int loopCounter = 0; // loop函数执行计数 +int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数 + +// 电量显示LED +#define LED_BAT 13 + +// 定义摇杆数值死区参数 +const int deadZone = 15; + +typedef struct { + byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) + byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) + byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255) + byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255) + bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false + bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false + bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false + bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false + bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false + byte roll; //用于M5StackCore2或未来增加的陀螺仪功能 + byte pitch; + bool buttonR3; +} JoystickData; + +JoystickData remoteData; + +// 蓝灯爆闪 +bool lastbuttonLB = false; + +// 操作模式默认遥控模式 +OperationMode current_mode = REMOTE_MODE; + +// ESP-NOW接收回调函数 +void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { + memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + + // 跳跃状态不接受指令 + if( jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + wrobot.joyx = 0; + wrobot.joyy = 0; + wrobot.roll = 0; + return; + } + + + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 + // roll 左右摇摆 + int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 + // 上下高度 + int convertedJ1PotY = static_cast((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降 + // 左右旋转 + int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100 + // 前后速度 + int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右 + int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左 + + // 进入巡航模式 + if (convertedbuttonR1) { + current_mode = CRUISE_MODE; + // Serial.println("进入巡航模式"); + } + // 进入遥控模式 + if (convertedbuttonR2) { + current_mode = REMOTE_MODE; + // Serial.println("返回遥控模式"); + } + + // 跳跃 + if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false + wrobot.dir = 5; // 跳跃 + }else{ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + } + + // led蓝灯爆闪 + if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB) { + blinkLed(); // 不能写在loop中，会阻断legloop，小车会倒下 + } + // 更新上次 lastbuttonRB 的值 + lastbuttonLB = convertedbuttonLB; + + if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75 + wrobot.height = convertedJ1PotY; + }else{ + wrobot.height = 0; + } + + if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30 + wrobot.roll = convertedJ1PotX; + }else{ + wrobot.roll = 0; + } + + if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100 + wrobot.joyx = convertedJ2PotX; + } else { + wrobot.joyx = 0; + } + + // 如果是遥控模式 才 执行 + if( current_mode == REMOTE_MODE){ + if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100 + wrobot.joyy = convertedJ2PotY; + }else{ + wrobot.joyy = 0; + } + } + +} + +// 定义超声波模块引脚 +#define TRIG 4 // 触发引脚 +#define ECHO 15 // 回响引脚 + + +// 测距相关变量 +int echoDistance = 0; // 超声波测距距离，单位cm +unsigned long echoStart = 0; // 回声开始时间 +unsigned long echoEnd = 0; // 回声结束时间 +bool measuring = false; // 测量状态标志 +unsigned long lastMeasureTime = 0; // 上次测量完成时间 +const unsigned long measureInterval = 60; // 最小测量间隔(ms) + +void setup() +{ + Serial.begin(115200); // 通讯串口 + Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + + // Wifi初始化 + WiFi_SetAP(); + webserver.begin(); + webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); + websocket.begin(); + websocket.onEvent(webSocketEventCallback); + + // 初始化ESP-NOW + WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + if (esp_now_init() != ESP_OK) { + Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); + return; + } + esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + + // 舵机初始化 + sms_sts.pSerial = &Serial2; + ID[0] = 1; + ID[1] = 2; + ACC[0] = 30; + ACC[1] = 30; + Speed[0] = 400; + Speed[1] = 400; + Position[0] = 2048; + Position[1] = 2048; + // Position[0] = SERVO1_MIN; + // Position[1] = SERVO2_MIN; + // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + // 电压检测 + adc_calibration_init(); + adc1_config_width(width); + adc1_config_channel_atten(channel, atten); + esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars); + + // 电量显示LED + pinMode(LED_BAT, OUTPUT); + + // 编码器设置 + I2Cone.begin(19, 18, 400000UL); + I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL); + sensor1.init(&I2Cone); + sensor2.init(&I2Ctwo); + + // mpu6050设置 + mpu6050.begin(); + mpu6050.calcGyroOffsets(true); + + // 连接motor对象与编码器对象 + motor1.linkSensor(&sensor1); + motor2.linkSensor(&sensor2); + + // 速度环PID参数 + motor1.PID_velocity.P = 0.05; + motor1.PID_velocity.I = 1; + motor1.PID_velocity.D = 0; + + motor2.PID_velocity.P = 0.05; + motor2.PID_velocity.I = 1; + motor2.PID_velocity.D = 0; + + // 驱动器设置 + motor1.voltage_sensor_align = 6; + motor2.voltage_sensor_align = 6; + driver1.voltage_power_supply = 8; + driver2.voltage_power_supply = 8; + driver1.init(); + driver2.init(); + + // 连接motor对象与驱动器对象 + motor1.linkDriver(&driver1); + motor2.linkDriver(&driver2); + + motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage; // 扭矩控制器类型为 "电压模式" + motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage; + motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制器类型为 "扭矩模式" + motor2.controller = MotionControlType::torque; + + + // monitor相关设置 + motor1.useMonitoring(Serial); + motor2.useMonitoring(Serial); + // 电机初始化 + motor1.init(); + motor1.initFOC(); + motor2.init(); + motor2.initFOC(); + + resetToDefault(); // 重置到默认参数状态 + + // 超声波模块 + pinMode(TRIG, OUTPUT); + pinMode(ECHO, INPUT); + digitalWrite(TRIG, LOW); + attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ECHO), handleEcho, CHANGE); + + delay(500); +} + +void loop() +{ + bat_check(); // 电压检测 <1ms + web_loop(); // Web数据更新 <2ms + mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms + + // CRUISE_MODE自动巡航模式，处超声波测距 输出joyy + if (current_mode == CRUISE_MODE) { + echo_loop(); + } + + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u ★ 关键实时控制 2-3ms + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output ★ 关键实时控制 1-2ms + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop 舵机控制 1ms + + // 记录上一次的遥控数据数据 + wrobot.dir_last = wrobot.dir; + wrobot.joyx_last = wrobot.joyx; + wrobot.joyy_last = wrobot.joyy; + + /* 将自平衡计算输出转矩赋给电机 + motor.target 负数小车向前转，正数小车向后转， + LQR_u 越大，电机输出的转矩越大，电机向后转，默认0-8V + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control + + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint) //LQR_u与实际LQR_angle正相关 + = pid_angle( mpu6050.getAngleY() - angle_zeropoint) //LQR_u与实际pitch正相关 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro) //LQR_u与实际LQR_gyro正相关 + = pid_gyro( mpu6050.getGyroY() ) //LQR_u与实际pitch 角速度 正相关 + + 所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5,不能单看负号 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint) //LQR_u与电LQR_distance正相关 + = pid_distance( (-0.5)*(motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle) - distance_zeropoint) + //在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以LQR_u与电机实际shaft_angle角度正相关，和负号没关系 + + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) // 实际速度-目标速度 + //LQR_speed代表实际速度，LQR_u与实际LQR_speed速度正相关 + = pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) + //LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关 + */ + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取 + motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度 + // Serial.println(LQR_angle); + + // 检测小车是否向后马上要倒地了，在中间过程重置所有参数 + loopCounter++; + // loopCounter作用：在期初的800次循环内视为电源开通后第一次自平衡，不能进入resetToDefault()函数重置参数 + // resetToDefaultCounterz作用：防止小车倒地后某个角度，陷入循环，motor.target一直=0 + if ((LQR_angle < -35.0f || LQR_angle > 70.0f ) && loopCounter > 800 && resetToDefaultCounter < 130) { + resetToDefault(); + resetToDefaultCounter++; + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + // Serial.println("resetToDefault"); + } + + if( abs(LQR_angle) < 25.0f){ + resetToDefaultCounter = 0; + } + + // target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速 + // Serial.print("LQR_angle:"); + // Serial.println(LQR_angle); + // Serial.print(",loopCounter:"); + // Serial.print(loopCounter); + // Serial.print(",resetToDefaultCounter:"); + // Serial.print(resetToDefaultCounter); + // Serial.print(",motor1.target:"); + // Serial.print(motor1.target); + // Serial.print(",motor2.target:"); + // Serial.println(motor2.target); + + // 监测速度变化 + // int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last; + // if(speed_delta > 0){ + // Serial.print("speed_delta:"); + // Serial.print(speed_delta); + // Serial.print(",robot_speed:"); + // Serial.println(robot_speed); + // } + + // 迭代计算FOC相电压 + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + + // 设置轮部电机输出 + motor1.move(); + motor2.move(); + +} // loop() + +// lqr自平衡控制 +void lqr_balance_loop() +{ + + // LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得 + // angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制 + // lqr 控制参数： angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control + + // LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试 + // LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint) + // + LQR_k2*LQR_gyro + // + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint) + // + LQR_k4*LQR_speed; + + // 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩驱动小车电机向后转 + // 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度 + // 不操作前后移动，譬如刚开机，车轮不动的，shaft_angle和shaft_velocity 都是零 + // 所以，不操作前后移动，LQR_distance 和 LQR_speed趋近于0，只有角度控制和角速度控制 + // 在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5 + LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值 + LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反，最终，正数向前，负数向后 + LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数 + LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度 + + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零 + // 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量 + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint); + // 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零 + // 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro); + + // 运动细节优化处理 + if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + // joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理 + if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0)) + { + wrobot_move_stop_flag = 1; + } + if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + wrobot_move_stop_flag = 0; + } + + if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + } + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零 + // 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint); + // 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零 + // 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量 + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)); + + // 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速 + robot_speed_last = robot_speed; // 记录连续两次的轮部转速 + robot_speed = LQR_speed; + // 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理 + // 轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0)) { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + LQR_u = angle_control + gyro_control; // 位移和速度控制分量被忽略 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + + } else { // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数 + + // 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制 + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行 + + } + + // 小车没有控制的时候自稳定状态 + // 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0 + if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0)) + { + + LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿 + // Serial.println(LQR_u); + + // lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。 + // 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。 + // angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。 + // angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。 + angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应 + } + else + { + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + + // 平衡控制参数自适应 + if (wrobot.height < 50) + { + pid_speed.P = 0.7; + } + else if (wrobot.height < 64) + { + pid_speed.P = 0.6; + } + else + { + pid_speed.P = 0.5; + } + + // Serial.print( "wrobot.joyy:"); + // Serial.print( wrobot.joyy); + // Serial.print(",echoDistance:"); + // Serial.println(echoDistance); + +} + +// 腿部动作控制（舵机） +void leg_loop() +{ + + // 倒地时强制腿部收缩 + if (LQR_angle < -30.0f || LQR_angle > 45.0f) + { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + return; // 跳过后续控制 + } + + jump_loop(); + + if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态 + { + // 舵机加速度 + ACC[0] = 8; + ACC[1] = 8; + + // 舵机速度 + Speed[0] = 300; + Speed[1] = 300; + float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0; + leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle)); + + int roll_offset = wrobot.roll; + int left_height, right_height; + + // 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度 + // 计算三角函数值 + float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度 + float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度) + float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了 + if (roll_offset > 10) { + // 正数，左脚高度 60，右脚高度 40 + // 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了 + left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算 + } else if (roll_offset < -10) { + // 负数，左脚高度 40，右脚高度 60 + left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + leg_position_add = 0; + } else { // 未控制 roll 角度 + // roll 为 0，左右恢复到同一高度 + left_height = wrobot.height; + right_height = wrobot.height; + // 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳 + // 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看 + if (abs(LQR_angle) > 25.0f) + { + leg_position_add = 0; + } + } + + // 根据新的高度计算舵机位置 + // id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1] + // 舵机id 1：1900（机身最矮） 2400（机身最高）2400-1900=500 + // 舵机id 2：2300（机身最矮） 1800（机身最高）2300-1800=500 + // 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32 + // const int LEG_HEIGHT_BASE = 32; // 这值越小，机身越高，实测范围 0（最高）-52（最低） + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低 + Position[0] = SERVO1_MIN; + else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高 + Position[0] = SERVO1_MAX; + + if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的） + Position[1] = SERVO2_MIN; + else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高 + Position[1] = SERVO2_MAX; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } +} + +// 跳跃控制 +void jump_loop() +{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 + // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 + // if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) + { + // 跳跃开始 + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = SERVO1_MAX; + Position[1] = SERVO2_MAX; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 1; + + } + if (jump_flag > 0) // 跳跃中，腿部缩起来，等待30帧，对应上面设置 jump_flag = 1; + { + jump_flag++; + + if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) + { + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (35 - 32); // 降低腿部高度，即车重心 + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (35 - 32); + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 40; + } + if (jump_flag > 200) + { + jump_flag = 0; // 跳跃过程结束 + } + } +} + +// yaw轴转向控制 （转向控制） +void yaw_loop() +{ + // YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro); + yaw_angle_addup(); + + YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.01; // 0.002 + float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total); + float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro); + // yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。 + // 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。 + YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control; +} + +// Web数据更新 +void web_loop() +{ + webserver.handleClient(); + websocket.loop(); + rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息 +} + +// yaw轴角度累加函数 +void yaw_angle_addup() +{ + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度 + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差 + + if (YAW_angle_zero_point == (-10)) + { + YAW_angle_zero_point = YAW_angle; + } + + float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle; + if (YAW_angle > YAW_angle_last) + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI; + } + else + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI; + } + + if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2)) + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_2; + } + else + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_1; + } + + YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle; + YAW_angle_last = YAW_angle; +} + +void basicWebCallback(void) +{ + webserver.send(300, "text/html", basic_web); +} + +void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length) +{ + if (type == WStype_TEXT) + { + String payload_str = String((char *)payload); + StaticJsonDocument<300> doc; + DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str); + + String mode_str = doc["mode"]; + if (mode_str == "basic") + { + rp.parseBasic(doc); + } + } +} + +// 电压检测初始化 +void adc_calibration_init() +{ + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Two Point: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Two Point: NOT supported\n"); + } + // Check Vref is burned into eFuse + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Vref: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Vref: NOT supported\n"); + } +} + +// 电压检测 +void bat_check() +{ + if (bat_check_num > 1000) + { + // 电压读取 + uint32_t sum = 0; + sum = analogRead(BAT_PIN); + uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars); + double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0; + + // Serial.println(battery); + // 电量显示 + if (battery > 7.8) + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + else + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + + bat_check_num = 0; + } + else + bat_check_num++; +} + +// LED闪烁函数(不要用for，会阻塞其他程序) +void blinkLed() { + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); +} + +// 重置到默认参数状态，用于自平衡起立 +void resetToDefault() { + + angle_zeropoint = 5; + + LQR_speed = 0; + LQR_distance = 0; + speed_control = 0; + distance_control = 0; + distance_zeropoint = 0.5f; + LQR_u = 0; + + // YAW轴控制数据 + YAW_gyro = 0; + YAW_angle = 0; + YAW_angle_last = 0; + YAW_angle_total = 0; + YAW_angle_zero_point = -10; + YAW_output = 0; + + // 逻辑处理标志位 + robot_speed = 0; + robot_speed_last = 0; + wrobot_move_stop_flag = 0; + jump_flag = 0; + leg_position_add = 0; + + pid_lqr_u.error_prev = 0; + +} + +// 超声波测距 +void handleEcho() { + if (digitalRead(ECHO) == HIGH) { + echoStart = micros(); // 上升沿记录开始时间 + } else { + echoEnd = micros(); // 下降沿记录结束时间 + measuring = false; // 标记测量完成 + } +} + +// 超声波测距合并触发、计算和输出的核心函数 +void echo_loop() { + unsigned long currentTime = millis(); + + // 1. 定时触发测量（非阻塞） + if (currentTime - lastMeasureTime >= measureInterval && !measuring) { + // 发送触发脉冲 + digitalWrite(TRIG, LOW); + delayMicroseconds(2); + digitalWrite(TRIG, HIGH); + delayMicroseconds(10); + digitalWrite(TRIG, LOW); + measuring = true; + lastMeasureTime = currentTime; + } + + // 2. 测量完成后计算距离并输出 + if (!measuring && echoEnd > echoStart) { + // 计算距离 + unsigned long duration = echoEnd - echoStart; + if (duration >= 116 && duration <= 23200) { // 2-400cm范围 + echoDistance = duration / 58; + } else { + echoDistance = 0; // 超出范围标记 + } + + // 输出结果 + // if (echoDistance > 2 && echoDistance < 400) { + // Serial.println(echoDistance); // 单位cm + // } else { + // echoDistance = -9; + // } + + // 检测声波距离 来来回回 + if(echoDistance > 0 && echoDistance < 20){ + wrobot.joyy = -60; + }else if( echoDistance > 60 ){ + wrobot.joyy = 60; + } + + // Serial.print("wrobot.joyy:"); + // Serial.print(wrobot.joyy); + // Serial.print(",echoDistance:"); + // Serial.println(echoDistance); + + // 重置回声时间 + echoStart = 0; + echoEnd = 0; + } +} diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/运动跳跃尝试.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/运动跳跃尝试.cpp new file mode 100644 index 0000000..9eb2423 --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/运动跳跃尝试.cpp @@ -0,0 +1,802 @@ +// ----------------------------------------------------------------------------- +// Copyright (c) 2024 Mu Shibo +// Modify by Tommy 2025.8.11 +// ----------------------------------------------------------------------------- + +#include +#include +#include "main.h" + +/************实例定义*************/ + +// 电机实例 +BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7); +BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7); +BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22); +BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12); + +// 编码器实例 +TwoWire I2Cone = TwoWire(0); +TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1); +MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); +MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); + +// PID控制器实例 +PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点 +PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点 +PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点 +PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度 +PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8); +PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4); +PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450); + +// 低通滤波器实例 +LowPassFilter lpf_joyy(0.2); +LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1); +LowPassFilter lpf_roll(0.3); + +// WebServer实例 +WebServer webserver; // server服务器 +WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息 +RobotProtocol rp(20); + +// STS舵机实例 +SMS_STS sms_sts; + +// MPU6050实例 +MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); + +/************参数定义*************/ +#define pi 3.1415927 + +// 舵机位置限制参数 +#define SERVO1_MIN 1900 // 舵机1最低 从小车正面看右手 +#define SERVO1_MAX 2400 // 舵机1最高 +#define SERVO2_MIN 2300 // 舵机2最低 从小车正面看左手(注意大小值与舵机1是相反的) +#define SERVO2_MAX 1800 // 舵机2最高 + +#define LEG_HEIGHT_BASE 32 // 腿部默认高度基准值 + +// LQR自平衡控制器参数 +float LQR_angle = 0; +float LQR_gyro = 0; +float LQR_speed = 0; +float LQR_distance = 0; +float angle_control = 0; +float gyro_control = 0; +float speed_control = 0; +float distance_control = 0; +float LQR_u = 0; +float angle_zeropoint = 5; // 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 1; // 轮部位移零点偏置 + +// YAW轴控制数据 +float YAW_gyro = 0; +float YAW_angle = 0; +float YAW_angle_last = 0; +float YAW_angle_total = 0; +float YAW_angle_zero_point = -10; +float YAW_output = 0; + + +// 腿部舵机控制数据 +byte ID[2]; +s16 Position[2]; +u16 Speed[2]; +byte ACC[2]; + +// 逻辑处理标志位 +float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速 +float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速 +int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识 +int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识 +float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量 + +// 电压检测 +uint16_t bat_check_num = 0; +int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC +static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; +static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7; +static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12; +static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_11; +static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1; + +int loopCounter = 0; // loop函数执行计数 +int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数 + +// 电量显示LED +#define LED_BAT 13 + +// 定义摇杆数值死区参数 +const int deadZone = 15; + +typedef struct { + byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) + byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) + byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255) + byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255) + bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false + bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false + bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false + bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false + bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false + byte roll; //用于M5StackCore2或未来增加的陀螺仪功能 + byte pitch; + bool buttonR3; +} JoystickData; + +JoystickData remoteData; + +// 蓝灯爆闪 +bool lastbuttonLB = false; + +// ESP-NOW接收回调函数 +void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { + memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + + // 跳跃状态不接受指令 + if(jump_flag > 0){ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + wrobot.joyx = 0; + wrobot.joyy = 0; + wrobot.roll = 0; + return; + } + + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 + // roll 左右摇摆 + int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 + // 上下高度 + int convertedJ1PotY = static_cast((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降 + // 左右旋转 + int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100 + // 前后速度 + int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + // int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右 + // int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左 + + // 跳跃 + if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false + wrobot.dir = 5; // 跳跃 + }else{ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + } + // Serial.print(convertedbuttonRB); + + // led蓝灯爆闪 + if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB) { + blinkLed(); // 不能写在loop中，会阻断legloop，小车会倒下 + } + // 更新上次 lastbuttonRB 的值 + lastbuttonLB = convertedbuttonLB; + + if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75 + wrobot.height = convertedJ1PotY; + }else{ + wrobot.height = 0; + } + + if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30 + wrobot.roll = convertedJ1PotX; + }else{ + wrobot.roll = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100 + wrobot.joyy = convertedJ2PotY; + }else{ + wrobot.joyy = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100 + wrobot.joyx = convertedJ2PotX; + } else { + wrobot.joyx = 0; + } +} + +void setup() +{ + Serial.begin(115200); // 通讯串口 + Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + + // Wifi初始化 + WiFi_SetAP(); + webserver.begin(); + webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); + websocket.begin(); + websocket.onEvent(webSocketEventCallback); + + // 初始化ESP-NOW + WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + if (esp_now_init() != ESP_OK) { + Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); + return; + } + esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + + // 舵机初始化 + sms_sts.pSerial = &Serial2; + ID[0] = 1; + ID[1] = 2; + ACC[0] = 30; + ACC[1] = 30; + Speed[0] = 400; + Speed[1] = 400; + // Position[0] = 2048; + // Position[1] = 2048; + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + // 电压检测 + adc_calibration_init(); + adc1_config_width(width); + adc1_config_channel_atten(channel, atten); + esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars); + + // 电量显示LED + pinMode(LED_BAT, OUTPUT); + + // 编码器设置 + I2Cone.begin(19, 18, 400000UL); + I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL); + sensor1.init(&I2Cone); + sensor2.init(&I2Ctwo); + + // mpu6050设置 + mpu6050.begin(); + mpu6050.calcGyroOffsets(true); + + // 连接motor对象与编码器对象 + motor1.linkSensor(&sensor1); + motor2.linkSensor(&sensor2); + + // 速度环PID参数 + motor1.PID_velocity.P = 0.05; + motor1.PID_velocity.I = 1; + motor1.PID_velocity.D = 0; + + motor2.PID_velocity.P = 0.05; + motor2.PID_velocity.I = 1; + motor2.PID_velocity.D = 0; + + // 驱动器设置 + motor1.voltage_sensor_align = 6; + motor2.voltage_sensor_align = 6; + driver1.voltage_power_supply = 8; + driver2.voltage_power_supply = 8; + driver1.init(); + driver2.init(); + + // 连接motor对象与驱动器对象 + motor1.linkDriver(&driver1); + motor2.linkDriver(&driver2); + + motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage; // 扭矩控制器类型为 "电压模式" + motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage; + motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制器类型为 "扭矩模式" + motor2.controller = MotionControlType::torque; + + + // monitor相关设置 + motor1.useMonitoring(Serial); + motor2.useMonitoring(Serial); + // 电机初始化 + motor1.init(); + motor1.initFOC(); + motor2.init(); + motor2.initFOC(); + + resetToDefault(); // 重置到默认参数状态 + delay(500); +} + +void loop() +{ + + bat_check(); // 电压检测 + web_loop(); // Web数据更新 + mpu6050.update(); // IMU数据更新 + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx + + // 记录上一次的遥控数据数据 + wrobot.dir_last = wrobot.dir; + wrobot.joyx_last = wrobot.joyx; + wrobot.joyy_last = wrobot.joyy; + + // 将自平衡计算输出转矩赋给电机 + // motor.target 负数小车向前转，正数小车向后转， + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取 + motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度 + // Serial.println(LQR_angle); + + // 检测小车是否向后马上要倒地了，在中间过程重置所有参数 + loopCounter++; + // loopCounter作用：在刚开机的800次loop循环，不能进入resetToDefault()函数 + // resetToDefaultCounter作用：防止小车倒地后某个角度，陷入循环，motor.target一直等于0，就躺地上不动了 + if ((LQR_angle < -35.0f || LQR_angle > 70.0f )&& loopCounter > 800 && resetToDefaultCounter < 130) { + resetToDefault(); + resetToDefaultCounter++; + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + // Serial.println("resetToDefault"); + } + + if( abs(LQR_angle) < 25.0f){ + resetToDefaultCounter = 0; + } + + // target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速 + // Serial.print("LQR_angle:"); + // Serial.print(LQR_angle); + // Serial.print(",motor1.target:"); + // Serial.print(motor1.target); + // Serial.print(",motor2.target:"); + // Serial.println(motor2.target); + + // 迭代计算FOC相电压 + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + + // 设置轮部电机输出 + motor1.move(); + motor2.move(); + + jump_loop(); // 跳跃控制 + +} // loop() + +// lqr自平衡控制 +void lqr_balance_loop() +{ + + // LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得 + // angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制 + // lqr 控制参数： angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control + + // LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试 + // LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint) + // + LQR_k2*LQR_gyro + // + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint) + // + LQR_k4*LQR_speed; + + // 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩驱动小车电机向后转 + + /* + LQR_u 越大，电机输出的转矩越大，电机向后转，默认0-8V + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control + + 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度 + 不操作前后移动，譬如刚开机，车轮不动的，shaft_angle和shaft_velocity 都是零 + 所以，不操作前后移动，LQR_distance 和 LQR_speed趋近于0，只有角度控制和角速度控制 + + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint) //LQR_u与实际LQR_angle正相关 + = pid_angle( mpu6050.getAngleY() - angle_zeropoint) //LQR_u与实际pitch正相关 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro) //LQR_u与实际LQR_gyro正相关 + = pid_gyro( mpu6050.getGyroY() ) //LQR_u与实际pitch 角速度 正相关 + + 所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5,不能单看负号 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint) //LQR_u与电LQR_distance正相关 + = pid_distance( (-0.5)*(motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle) - distance_zeropoint) + //在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以LQR_u与电机实际shaft_angle角度正相关，和负号没关系 + + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) // 实际速度-目标速度 + //LQR_speed代表实际速度，LQR_u与实际LQR_speed速度正相关 + = pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) + //LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关 + */ + + // 在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5 + LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值 + LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反 + LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数 + LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度 + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零 + // 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量 + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint); + // 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零 + // 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro); + + // 运动细节优化处理 + if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + // joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理 + if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0)) + { + wrobot_move_stop_flag = 1; + } + if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + wrobot_move_stop_flag = 0; + } + + if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + } + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零 + // 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint); + // 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零 + // 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量 + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)); + + // 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速 + robot_speed_last = robot_speed; // 记录连续两次的轮部转速 + robot_speed = LQR_speed; + + + // 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理 + // 轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + // if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0)) + // { + // distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + // // LQR_u = angle_control + gyro_control; // 位移和速度控制分量被忽略 + // LQR_u = angle_control + gyro_control+ speed_control;; // 位移和速度控制分量被忽略 + // pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + // // LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // } + // else // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数 + // { + // 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制 + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行 + + // } + + // 小车没有控制的时候自稳定状态 + // 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0 + if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0)) + { + + LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿 + // Serial.println(LQR_u); + + // lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。 + // 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。 + // angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。 + // angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。 + angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应 + } + else + { + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + + // 平衡控制参数自适应 + if (wrobot.height < 50) + { + pid_speed.P = 0.7; + } + else if (wrobot.height < 64) + { + pid_speed.P = 0.6; + } + else + { + pid_speed.P = 0.5; + } + +} + +// 腿部动作控制（舵机） +void leg_loop() +{ + + // 倒地时强制腿部收缩 + if (LQR_angle < -30.0f || LQR_angle > 45.0f) + { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + return; // 跳过后续控制 + } + + if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态 + { + // 舵机加速度 + ACC[0] = 8; + ACC[1] = 8; + + // 舵机速度 + Speed[0] = 300; + Speed[1] = 300; + float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0; + leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle)); + + int roll_offset = wrobot.roll; + int left_height, right_height; + + // Serial.print("roll_offset: "); + // Serial.println(roll_offset); + + // 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度 + // 计算三角函数值 + float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度 + float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度) + float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了 + if (roll_offset > 10) { + // 正数，左脚高度 60，右脚高度 40 + // 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了 + left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算 + } else if (roll_offset < -10) { + // 负数，左脚高度 40，右脚高度 60 + left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + leg_position_add = 0; + } else { // 未控制 roll 角度 + // roll 为 0，左右恢复到同一高度 + left_height = wrobot.height; + right_height = wrobot.height; + // 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳 + // 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看 + if (abs(LQR_angle) > 25.0f) + { + leg_position_add = 0; + } + } + + // 根据新的高度计算舵机位置 + // id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1] + // 舵机id 1：1900（机身最矮） 2400（机身最高）2400-1900=500 + // 舵机id 2：2300（机身最矮） 1800（机身最高）2300-1800=500 + // 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32 + // const int LEG_HEIGHT_BASE = 32; // 这值越小，机身越高，实测范围 0（最高）-52（最低） + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add; + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低 + Position[0] = SERVO1_MIN; + else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高 + Position[0] = SERVO1_MAX; + + if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的） + Position[1] = SERVO2_MIN; + else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高 + Position[1] = SERVO2_MAX; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } +} + +// 跳跃控制 +void jump_loop() +{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 + // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 + if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0)) + { + + // 跳跃开始 + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = SERVO1_MAX; + Position[1] = SERVO2_MAX; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 1; + + } + if (jump_flag > 0) // 跳跃中，腿部缩起来，等待30帧，对应上面设置 jump_flag = 1; + { + jump_flag++; + + if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) + { + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + // Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (35 - 32); // 降低腿部高度，即车重心 + // Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (35 - 32); + Position[0] = SERVO1_MIN + 150; // 收缩腿 + Position[1] = SERVO2_MIN - 150; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 40; + } + if (jump_flag > 200) + { + jump_flag = 0; // 跳跃过程结束 + } + } +} + +// yaw轴转向控制 （转向控制） +void yaw_loop() +{ + // YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro); + yaw_angle_addup(); + + YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.01; // 0.002 + float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total); + float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro); + // yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。 + // 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。 + YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control; +} + +// Web数据更新 +void web_loop() +{ + webserver.handleClient(); + websocket.loop(); + rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息 +} + +// yaw轴角度累加函数 +void yaw_angle_addup() +{ + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ(); + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); + + if (YAW_angle_zero_point == (-10)) + { + YAW_angle_zero_point = YAW_angle; + } + + float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle; + if (YAW_angle > YAW_angle_last) + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI; + } + else + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI; + } + + if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2)) + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_2; + } + else + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_1; + } + + YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle; + YAW_angle_last = YAW_angle; +} + +void basicWebCallback(void) +{ + webserver.send(300, "text/html", basic_web); +} + +void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length) +{ + if (type == WStype_TEXT) + { + String payload_str = String((char *)payload); + StaticJsonDocument<300> doc; + DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str); + + String mode_str = doc["mode"]; + if (mode_str == "basic") + { + rp.parseBasic(doc); + } + } +} + +// 电压检测初始化 +void adc_calibration_init() +{ + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Two Point: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Two Point: NOT supported\n"); + } + // Check Vref is burned into eFuse + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Vref: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Vref: NOT supported\n"); + } +} + +// 电压检测 +void bat_check() +{ + if (bat_check_num > 1000) + { + // 电压读取 + uint32_t sum = 0; + sum = analogRead(BAT_PIN); + uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars); + double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0; + + // Serial.println(battery); + // 电量显示 + if (battery > 7.8) + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + else + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + + bat_check_num = 0; + } + else + bat_check_num++; +} + +// LED闪烁函数(不要用for，会阻塞其他程序) +void blinkLed() { + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + delay(200); + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + delay(200); +} + +// 重置到默认参数状态，用于自平衡起立 +void resetToDefault() { + // LQR自平衡控制器参数 + LQR_angle = 0; + LQR_gyro = 0; + angle_control = 0; + gyro_control = 0; + angle_zeropoint = 5; + + LQR_speed = 0; + LQR_distance = 0; + speed_control = 0; + distance_control = 0; + distance_zeropoint = 1; + LQR_u = 0; + + // YAW轴控制数据 + YAW_gyro = 0; + YAW_angle = 0; + YAW_angle_last = 0; + YAW_angle_total = 0; + YAW_angle_zero_point = -10; + YAW_output = 0; + + // 逻辑处理标志位 + robot_speed = 0; + robot_speed_last = 0; + wrobot_move_stop_flag = 0; + jump_flag = 0; + leg_position_add = 0; + + pid_lqr_u.error_prev = 0; + + + +} \ No newline at end of file diff --git a/Shibo-main-TOMMY/test/遇到障碍.cpp b/Shibo-main-TOMMY/test/遇到障碍.cpp new file mode 100644 index 0000000..8b5ac6f --- /dev/null +++ b/Shibo-main-TOMMY/test/遇到障碍.cpp @@ -0,0 +1,792 @@ +// ----------------------------------------------------------------------------- +// Copyright (c) 2024 Mu Shibo +// Modify by Tommy 2025.8.11 +// ----------------------------------------------------------------------------- + +#include +#include +#include "main.h" + +/************实例定义*************/ + +// 电机实例 +BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7); +BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7); +BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22); +BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12); + +// 编码器实例 +TwoWire I2Cone = TwoWire(0); +TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1); +MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); +MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); + +// PID控制器实例 +PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点 +PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点 +PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点 +PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度 +PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8); +PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8); +PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4); +PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450); + +// 低通滤波器实例 +LowPassFilter lpf_joyy(0.2); +LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1); +LowPassFilter lpf_roll(0.3); + +// WebServer实例 +WebServer webserver; // server服务器 +WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息 +RobotProtocol rp(20); + +// STS舵机实例 +SMS_STS sms_sts; + +// MPU6050实例 +MPU6050 mpu6050(I2Ctwo); + +/************参数定义*************/ +#define pi 3.1415927 + +// 舵机位置限制参数 +#define SERVO1_MIN 1900 // 舵机1最低 从小车正面看右手 +#define SERVO1_MAX 2400 // 舵机1最高 +#define SERVO2_MIN 2300 // 舵机2最低 从小车正面看左手(注意大小值与舵机1是相反的) +#define SERVO2_MAX 1800 // 舵机2最高 + +// LQR自平衡控制器参数 +float LQR_angle = 0; +float LQR_gyro = 0; +float LQR_speed = 0; +float LQR_distance = 0; +float angle_control = 0; +float gyro_control = 0; +float speed_control = 0; +float distance_control = 0; +float LQR_u = 0; +float angle_zeropoint = 5; // 俯仰角度，向前到正，向后倒负 +float distance_zeropoint = 1; // 轮部位移零点偏置 + +// YAW轴控制数据 +float YAW_gyro = 0; +float YAW_angle = 0; +float YAW_angle_last = 0; +float YAW_angle_total = 0; +float YAW_angle_zero_point = -10; +float YAW_output = 0; + +// 腿部舵机控制数据 +byte ID[2]; +s16 Position[2]; +u16 Speed[2]; +byte ACC[2]; + +// 逻辑处理标志位 +float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速 +float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速 +int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识 +int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识 +float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量 + +// 电压检测 +uint16_t bat_check_num = 0; +int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC +static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars; +static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7; +static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12; +static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_11; +static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1; + +// 电量显示LED +#define LED_BAT 13 + +// LED闪烁控制变量 +bool blinking = false; +unsigned long lastBlinkTime = 0; +int blinkCount = 0; +const int BLINK_INTERVAL = 200; // 闪烁间隔(ms) +const int BLINK_TIMES = 5; // 闪烁次数 +// 在参数定义部分添加障碍物检测相关变量 +bool obstacleDetected = false; // 障碍物检测状态 +unsigned long obstacleStartTime = 0; // 障碍物开始时间 +const unsigned long OBSTACLE_DELAY = 500; // 判定为障碍物的延迟时间(毫秒) +// 在参数定义部分新增扭矩补偿相关变量 +const unsigned long BOOST_DURATION = 1500; // 最大补偿时长（3秒，避免持续高负载） +unsigned long boostStartTime = 0; // 补偿开始时间 + + +// 摇杆数据死区参数 +const int deadZone = 15; +typedef struct { + byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255) + byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255) + byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255) + byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255) + bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false + bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false + bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false + bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false + bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false + bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false + byte roll; //用于M5StackCore2或未来增加的陀螺仪功能 + byte pitch; + bool buttonR3; +} JoystickData; + +JoystickData remoteData; + +// 蓝灯爆闪 +bool lastbuttonLB = false; + +// ESP-NOW接收回调函数 +void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) { + memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData)); + + // 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100 + // roll 左右摇摆 + int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30 + // 上下高度 + int convertedJ1PotY = static_cast((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降 + // 左右旋转 + int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100 + // 速度 + int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.3; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱 + + // 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true + int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左 + int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右 + + // 跳跃 + if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false + wrobot.dir = 5; // 跳跃 + }else{ + wrobot.dir = 4; // 不跳跃 + } + + // led蓝灯爆闪 + if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB) { + blinkLed(); // 不能写在loop中，会阻断legloop，小车会倒下 + } + // 更新上次 lastbuttonRB 的值 + lastbuttonLB = convertedbuttonLB; + + if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75 + wrobot.height = convertedJ1PotY; + }else{ + wrobot.height = 0; + } + + if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30 + wrobot.roll = convertedJ1PotX; + }else{ + wrobot.roll = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100 + wrobot.joyy = convertedJ2PotY; + }else{ + wrobot.joyy = 0; + } + if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100 + wrobot.joyx = convertedJ2PotX; + } else { + wrobot.joyx = 0; + } +} + +void setup() +{ + Serial.begin(115200); // 通讯串口 + Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机 + + // Wifi初始化 + WiFi_SetAP(); + webserver.begin(); + webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback); + websocket.begin(); + websocket.onEvent(webSocketEventCallback); + + // 初始化ESP-NOW + WiFi.mode(WIFI_STA); // 打开这行注释就能开启sta模式，同时默认关闭ap热点模式，省电+稳定，而且不会影响espnow通信和整体代码框架 + if (esp_now_init() != ESP_OK) { + Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); + return; + } + esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); + + // 舵机初始化 + sms_sts.pSerial = &Serial2; + ID[0] = 1; + ID[1] = 2; + ACC[0] = 30; + ACC[1] = 30; + Speed[0] = 400; + Speed[1] = 400; + Position[0] = 2048; + Position[1] = 2048; + // 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置 + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + // 电压检测 + adc_calibration_init(); + adc1_config_width(width); + adc1_config_channel_atten(channel, atten); + esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars); + + // 电量显示LED + pinMode(LED_BAT, OUTPUT); + + // 编码器设置 + I2Cone.begin(19, 18, 400000UL); + I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL); + sensor1.init(&I2Cone); + sensor2.init(&I2Ctwo); + + // mpu6050设置 + mpu6050.begin(); + mpu6050.calcGyroOffsets(true); + + // 连接motor对象与编码器对象 + motor1.linkSensor(&sensor1); + motor2.linkSensor(&sensor2); + + // 速度环PID参数 + motor1.PID_velocity.P = 0.05; + motor1.PID_velocity.I = 1; + motor1.PID_velocity.D = 0; + + motor2.PID_velocity.P = 0.05; + motor2.PID_velocity.I = 1; + motor2.PID_velocity.D = 0; + + // 驱动器设置 + motor1.voltage_sensor_align = 6; + motor2.voltage_sensor_align = 6; + driver1.voltage_power_supply = 8; + driver2.voltage_power_supply = 8; + driver1.init(); + driver2.init(); + + // 连接motor对象与驱动器对象 + motor1.linkDriver(&driver1); + motor2.linkDriver(&driver2); + + motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage;// 扭矩控制类型 :电压作为扭矩控制的方式 + motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage; + motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制类型:扭矩控制模式 + motor2.controller = MotionControlType::torque; // 扭矩控制模式 + + // monitor相关设置 + motor1.useMonitoring(Serial); + motor2.useMonitoring(Serial); + // 电机初始化 + motor1.init(); + motor1.initFOC(); + motor2.init(); + motor2.initFOC(); + + delay(500); +} + +void loop() +{ + + bat_check(); // 电压检测 + web_loop(); // Web数据更新 + mpu6050.update(); // IMU数据更新 + lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u + yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output + leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop + detectObstacle(); // 障碍物检测 + + + // 记录上一次的遥控数据数据 + wrobot.dir_last = wrobot.dir; + wrobot.joyx_last = wrobot.joyx; + wrobot.joyy_last = wrobot.joyy; + + // 将自平衡计算输出转矩赋给电机 + motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); + motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 查看角度信息, 屁股向后倒 -36度，头向前到底 45度 + // Serial.println(LQR_angle) + + // 向后倒地 -36度，向前倒地 45度，超出这个区间，或者跳跃中，马达就不要转动了 + if(LQR_angle < -40.0f || LQR_angle > 55.0f ) { + motor1.target = 0; + motor2.target = 0; + } + + // 计算基础扭矩（原有逻辑） + float baseTorque1 = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); + float baseTorque2 = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output); + + // 障碍物扭矩补偿逻辑 + if (obstacleDetected) { + // 首次进入障碍状态时记录时间 + if (boostStartTime == 0) { + boostStartTime = millis(); + } + + // 补偿时长未超时且机器人未严重倾斜时，应用扭矩补偿 + if (millis() - boostStartTime < BOOST_DURATION) { + // blinkLed(); + // 叠加补偿扭矩（仅正向，因为是前进障碍） + motor1.target = motor1.voltage_limit; + motor2.target = motor2.voltage_limit; + } else { + // 超时或姿态异常时使用基础扭矩 + motor1.target = baseTorque1; + motor2.target = baseTorque2; + } + } else { + // 无障碍物时重置补偿计时器并使用基础扭矩 + boostStartTime = 0; + motor1.target = baseTorque1; + motor2.target = baseTorque2; + } + + // 迭代计算FOC相电压 + motor1.loopFOC(); + motor2.loopFOC(); + + // 设置轮部电机输出 + motor1.move(); + motor2.move(); +} // loop() + + +// lqr自平衡控制 +void lqr_balance_loop() +{ + + // LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得 + // angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制 + // angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control : lqr 控制参数 + + // LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试 + // LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint) + // + LQR_k2*LQR_gyro + // + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint) + // + LQR_k4*LQR_speed; + + // 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩会向后转 + // 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度 + LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值 + LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反 + LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数 + LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度 + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零 + // 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量 + angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint); + // 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零 + // 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量 + gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro); + + // 运动细节优化处理 + if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + // joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理 + if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0)) + { + wrobot_move_stop_flag = 1; + } + if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5)) + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + wrobot_move_stop_flag = 0; + } + + if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + } + + // 计算pitch的角度和角速度的pid控制值 + // 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零 + // 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量 + distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint); + // 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零 + // 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量 + speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)); + + // 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速 + robot_speed_last = robot_speed; + robot_speed = LQR_speed; + // 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理 + //轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0)) // 轮部离地时 + { + distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置 + // 位移和速度控制分量被忽略 + LQR_u = angle_control + gyro_control; // 轮部离地情况下，对轮部分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩 + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + else // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数 + { + // 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制 + LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control; + // 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行 + + } + // 小车没有控制的时候自稳定状态 + // 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0 + if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0)) + { + + LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿 + // Serial.println(LQR_u); + + // lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。 + // 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。 + // angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。 + // angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。 + angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应 + } + else + { + pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零 + } + + if (obstacleDetected) { + // 首次进入障碍状态时记录时间 + if (boostStartTime == 0) { + boostStartTime = millis(); + } + + // 补偿时长未超时且机器人未严重倾斜时，应用扭矩补偿 + if (millis() - boostStartTime < BOOST_DURATION) { + // blinkLed(); + // 叠加补偿扭矩（仅正向，因为是前进障碍） + LQR_u = LQR_u * 10.5f; + } + } else { + // 无障碍物时重置补偿计时器并使用基础扭矩 + boostStartTime = 0; + } + + // 平衡控制参数自适应 + if (wrobot.height < 50) + { + pid_speed.P = 0.7; + } + else if (wrobot.height < 64) + { + pid_speed.P = 0.6; + } + else + { + pid_speed.P = 0.5; + } + +} + +// 腿部动作控制（舵机） +void leg_loop() +{ + + // 倒地时强制腿部收缩 + if (LQR_angle < -36.0f || LQR_angle > 45.0f) + { + Position[0] = SERVO1_MIN; + Position[1] = SERVO2_MIN; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + return; // 跳过后续控制 + } + + jump_loop(); + + if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态 + { + // 舵机加速度 + ACC[0] = 8; + ACC[1] = 8; + + // 舵机速度 + Speed[0] = 300; + Speed[1] = 300; + float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0; + leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle)); + + int roll_offset = wrobot.roll; + int left_height, right_height; + + // Serial.print("roll_offset: "); + // Serial.println(roll_offset); + + // 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度 + // 计算三角函数值 + float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度 + float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度) + float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了 + if (roll_offset > 10) { + // 正数，左脚高度 60，右脚高度 40 + // 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了 + left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算 + } else if (roll_offset < -10) { + // 负数，左脚高度 40，右脚高度 60 + left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust; + right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust; + leg_position_add = 0; + } else { // 未控制 roll 角度 + // roll 为 0，左右恢复到同一高度 + left_height = wrobot.height; + right_height = wrobot.height; + // 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳 + // 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看 + if (abs(LQR_angle) > 25.0f) + { + leg_position_add = 0; + } + } + + + // 根据新的高度计算舵机位置 + // id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1] + // 舵机id 1：1900（机身最矮） 2400（机身最高）2400-1900=500 + // 舵机id 2：2300（机身最矮） 1800（机身最高）2300-1800=500 + // 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32 + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - 32) - leg_position_add; + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - 32) - leg_position_add; + // Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - 52) - leg_position_add; // -52 机身下降20 + // Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - 52) - leg_position_add; + // Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - 0) - leg_position_add; // 不减32 机身高度默认抬高32 + // Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - 0) - leg_position_add; + + // Serial.print("left_height: "); + // Serial.print(left_height); + // Serial.print(", right_height: "); + // Serial.print(right_height); + // Serial.print(", leg_position_add: "); + // Serial.println(leg_position_add); + + + // 限制舵机位置范围 + if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低 + Position[0] = SERVO1_MIN; + else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高 + Position[0] = SERVO1_MAX; + + if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的） + Position[1] = SERVO2_MIN; + else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高 + Position[1] = SERVO2_MAX; + + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + } +} + +// 跳跃控制 +void jump_loop() +{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次 + // 跳跃，腿部以最快速度伸到最长 + if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0)) + { // 跳跃开始 + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = SERVO1_MAX; + Position[1] = SERVO2_MAX; + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 1; + } + if (jump_flag > 0) // 跳跃中，腿部缩起来，等待30帧，对应上面设置 jump_flag = 1; + { + jump_flag++; + if ((jump_flag > 30) && (jump_flag < 35)) + { + ACC[0] = 0; + ACC[1] = 0; + Speed[0] = 0; + Speed[1] = 0; + Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (35 - 32); // 降低腿部高度，即车重心 + Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (35 - 32); + sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC); + + jump_flag = 40; + } + if (jump_flag > 200) + { + jump_flag = 0; // 跳跃过程结束 + } + } +} + +// yaw轴转向控制 （转向控制） +void yaw_loop() +{ + // YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro); + yaw_angle_addup(); + + YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.008; // 0.002 + float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total); + float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro); + // yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。 + // 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。 + YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control; +} + +// Web数据更新 +void web_loop() +{ + webserver.handleClient(); + websocket.loop(); + rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息 +} + +// yaw轴角度累加函数 +void yaw_angle_addup() +{ + YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ(); + YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); + + if (YAW_angle_zero_point == (-10)) + { + YAW_angle_zero_point = YAW_angle; + } + + float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle; + if (YAW_angle > YAW_angle_last) + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI; + } + else + { + yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last; + yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI; + } + + if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2)) + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_2; + } + else + { + yaw_addup_angle = yaw_angle_1; + } + + YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle; + YAW_angle_last = YAW_angle; +} + +void basicWebCallback(void) +{ + webserver.send(300, "text/html", basic_web); +} + +void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length) +{ + if (type == WStype_TEXT) + { + String payload_str = String((char *)payload); + StaticJsonDocument<300> doc; + DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str); + + String mode_str = doc["mode"]; + if (mode_str == "basic") + { + rp.parseBasic(doc); + } + } +} + +// 电压检测初始化 +void adc_calibration_init() +{ + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Two Point: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Two Point: NOT supported\n"); + } + // Check Vref is burned into eFuse + if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK) + { + printf("eFuse Vref: Supported\n"); + } + else + { + printf("eFuse Vref: NOT supported\n"); + } +} + +// 电压检测 +void bat_check() +{ + if (bat_check_num > 1000) + { + // 电压读取 + uint32_t sum = 0; + sum = analogRead(BAT_PIN); + uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars); + double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0; + + // Serial.println(battery); + // 电量显示 + if (battery > 7.8) + digitalWrite(LED_BAT, HIGH); + else + digitalWrite(LED_BAT, LOW); + + bat_check_num = 0; + } + else + bat_check_num++; +} + +// LED闪烁函数(不适用for语气，非阻塞) +void blinkLed() { + unsigned long currentTime = millis(); + if (currentTime - lastBlinkTime > BLINK_INTERVAL) { + lastBlinkTime = currentTime; + digitalWrite(LED_BAT, !digitalRead(LED_BAT)); // 切换LED状态 + + if (++blinkCount >= BLINK_TIMES * 2) { // 每次闪烁包含开和关 + blinking = false; + digitalWrite(LED_BAT, LOW); // 结束闪烁后保持熄灭 + } + } +} + +// 障碍物检测函数 +void detectObstacle() { + // 条件1: 有前进指令(joyy > 0)且超过死区 + // 条件2: 实际速度很低(接近零) + // 条件3: 不在跳跃状态 + bool hasForwardCommand = (wrobot.joyy > deadZone); + bool isAlmostStopped = (abs(LQR_speed) < 1.0); + bool notJumping = (jump_flag == 0); + bool fallAngle = (LQR_angle > 5.0f || LQR_angle < 40.0f); + + if (hasForwardCommand && isAlmostStopped && notJumping && fallAngle) { + // 如果符合条件且尚未计时，记录开始时间 + if (obstacleStartTime == 0) { + obstacleStartTime = millis(); + } + // 如果持续时间超过阈值，判定为遇到障碍物 + else if (millis() - obstacleStartTime > OBSTACLE_DELAY) { + obstacleDetected = true; + // blinkLed(); + } + } else { + // 不符合条件，重置状态 + obstacleDetected = false; + obstacleStartTime = 0; + } +} \ No newline at end of file